UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO – CECAU
Universidade
Federal
de Ouro Preto
TALITA BARBOSA BUENO
AUTOMATIZAÇÃO DE UMA EMPILHADEIRA DE MINÉRIOS UTILIZANDO UM
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 2010
TALITA BARBOSA BUENO
AUTOMATIZAÇÃO DE UMA EMPILHADEIRA DE
MINÉRIOS UTILIZANDO UM CONTROLADOR LÓGICO
PROGRAMÁVEL
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação
da Universidade Federal de Ouro Preto
como parte dos requisitos para a
obtenção do Grau de Engenheiro de
Controle e Automação.
Orientador: Ronilson Rocha
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Dezembro/2010
B928A
Bueno, Talita Barbosa.
Automatização de uma empilhadeira de minérios utilizando um controlador
lógico programável [manuscrito] / Talita Barbosa Bueno. – 2010.
100 f. : il. color., tabs.
Orientador: Prof. Dr. Ronilson Rocha.
Monografia (Graduação) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola
de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia de Controle e Automação.
1. Automação industrial. 2. Processos de fabricação - Automação.
Interação homem-máquina. 4. Minérios - Controle de processo.
Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 681.52:622.7
Catalogação: [email protected]
CDU: 669.162.16
3.
I.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente aos meus pais, Décio e Sandra, que sempre me apoiaram e abriram
as portas para que eu pudesse seguir os meus sonhos e chegar até onde cheguei, com todo o
amor do mundo. À minha irmã, Taís, e aos familiares pelo carinho e por estarem sempre ao
meu lado.
Aos meus amigos de Imperatriz e Goiânia que levo comigo onde quer que eu vá e estiveram
sempre presentes, fazendo com que eu tivesse com quem dividir minhas alegrias e
dificuldades, em especial Sabryna, Ingrid, Dyego, Anna Paula e Marina.
À República Colméia por todos os momentos divertidos e únicos que somente uma república
Ouro Pretana nos oferece. Principalmente por ter me dado a chance de encontrar irmãs para a
vida toda, em especial Dori e Silly.
À sexta turma de Engenharia de Controle e Automação pelos anos juntos, pela convivência
maravilhosa, pelos estudos, rocks e por terem tornado a faculdade uma época inesquecível,
em especial à Ana, Carlos, Mandick e Manre.
Aos amigos que fiz em Ouro Preto, principalmente a Priscila e os meninos da Nadavê e
Tabajara, pelos bons momentos juntos e pela amizade especial.
À UFOP e Escola de Minas e seu corpo docente, especialmente ao professor Ronilson pela
oportunidade de grande aprendizagem.
À FAPEMIG pelo apoio dado durante a Iniciação Científica e a Vale pela oportunidade de
estágio e grande crescimento profissional e pessoal, principalmente a todos da GAUAS que
acreditaram na minha competência e me deram a oportunidade de colocar em prática o que
me foi ensinado durante a faculdade.
"Sempre que te perguntarem se podes fazer um trabalho,
responde que sim e te ponhas em seguida a aprender como
se faz."
F. Roosevelt
"Os cientistas estudam o mundo como ele é; os
engenheiros criam um mundo como ele nunca havia sido."
Theodore von Karman
RESUMO
A automatização de uma empilhadeira dentro do ambiente de uma mineradora de grande
porte, como a Vale, visa a continuidade operacional e o menor desperdício de minério durante
o seu estoque em pátios, de forma a ampliar a produtividade e a qualidade do produto. Este
processo de automatização é feito por meio de um controlador lógico programável (PLC Programmable Logic Controller), e uma IHM (Interface Homem-Máquina), cujas funções
são o controle e o monitoramento, respectivamente, da empilhadeira e de seus sistemas,
realizadas por meio de algumas regras pré-definidas pelo programador para a execução da
operação da máquina. Para a análise dos dados referentes à empilhadeira, necessários para a
programação de sua lógica de funcionamento em automático, utiliza-se o aplicativo PI
DataLink, um suplemento do Microsoft Excel que busca os dados previamente armazenados
no banco de dados e disponibiliza-os para o usuário em forma de planilha. Quando os dados
necessários estão disponíveis, é feita uma divisão da programação em três conjuntos de
lógicas afins: lógicas e definições de parâmetros gerais ao programa; sequência de passos para
o empilhamento em automático de minério e lógicas que tratam possíveis paradas não
programadas da empilhadeira, como um defeito no seu sistema de locomoção. As
programações são realizadas no software Concept e, de acordo com os resultados obtidos,
observa-se que a empilhadeira é capaz de executar todas as suas atividades sem que haja a
necessidade de um operador manuseá-la.
Palavras-chave: automatização, estoque de minérios, controlador lógico programável,
interface homem-máquina, programação em diagrama de blocos funcionais.
ABSTRACT
The automation of a stacker inside the environment of a large mining company, such as Vale,
aims the operational continuity and the slightest loss of ore during its stock in fields, in a way
of enlarge the productivity and product's quality. This automation process is done through a
PLC (Programmable Logic Controller) and a HMI (Human Machine Interface), which's
functions are the control and monitoring, respectively, of the stacker and its systems, held
through some pre-defined rules done by the programmer for the execution of the machine's
operation. To the data's analysis about the stacker, needed to the programming of its
automatic functioning logic, it is used the PI DataLink applicative, a supplement of Microsoft
Excel which searches the data previously stored in the database and available them to the user
in a spreadsheet form. When all of the necessary data is available, it is done a programming
divided in three sets of related logics: logics and general parameter's definition to the
program; sequence of steps to the automatic stack of ore and logics that treats not
programmed shut downs of the stacker, as a defect in its locomotion system. The
programmings are done in the Concept software and according with the results obtained, it is
observed that the stacker is capable of executing all its functions without needing an operator
handling it.
Keywords: automation, stock of ores, programmable logic controller, human machine
interface, programming in function block diagram.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 – Motivos para automatização de processos
17
FIGURA 2.1 – Pátio de estocagem de minério da Vale em São Luís, Maranhão
20
FIGURA 2.2 – Estoque no pátio 2 pela empilhadeira 3049
22
FIGURA 2.3 – Empilhamento pelo método Cone Shell
24
FIGURA 2.4 – Empilhamento pelo método Chevron
25
FIGURA 2.5 – Empilhamento pelo método Windrow
26
FIGURA 2.6 – Formação de uma pilha de dez cordões
27
FIGURA 2.7 – Empilhamento Automático – Pátio 1 e Pátio 2 (modificada)
29
FIGURA 3.1 – PIMS e MES
31
FIGURA 3.2 – Disposição dos dez cordões de uma pilha (modificada)
34
FIGURA 3.3 – Passos para a automação de um equipamento com PLCs
38
FIGURA 3.4 – Aspecto físico de um PLC
39
FIGURA 3.5 – Princípio de funcionamento de um PLC
43
FIGURA 3.6 – Linguagens de programação de PLC
45
FIGURA 3.7 – AND
47
FIGURA 3.8 – OR
48
FIGURA 3.9 – RS
48
FIGURA 3.10 – TON
49
FIGURA 3.11 – TOF
49
FIGURA 3.12 – R_TRIG e F_TRIG
50
FIGURA 3.13 – Projeto da empilhadeira no ambiente Concept
52
FIGURA 3.14 – Editor de variáveis
52
FIGURA 4.1 – Etapas para a programação de um PLC
54
FIGURA 4.2 – Grupos e seções do projeto EM3049
55
FIGURA 4.3 – Estado manual/automático
57
FIGURA 4.4 – Estado pronto para partir
57
FIGURA 4.5 – Estado defeito
58
FIGURA 4.6 – Movimentação da variável seleção de cordão da IHM para o EM3049
59
FIGURA 4.7 – Movimentação da variável de seleção de pátio da IHM para o EM3049
59
FIGURA 4.8 – Movimentação de posição da pilha da IHM para o EM3049
59
FIGURA 4.9 – Determinação do modo de início da sequencia de cordões
60
FIGURA 4.10 – Separação word to bit das variáveis da IHM
61
FIGURA 4.11 – Parâmetros dos ângulos dos cordões de itabirito
62
FIGURA 4.12 – Parâmetros dos ângulos dos cordões de hematita
63
FIGURA 4.13 – Gravação do valor atual de ângulo
64
FIGURA 4.14 – Mudança de um grau no ângulo da lança da empilhadeira
65
FIGURA 4.15 – Novo posicionamento da lança
66
FIGURA 4.16 – Habilitação da mudança de ângulo
67
FIGURA 4.17 – Sensor óptico de presença
68
FIGURA 4.18 – Indicação da presença de material na TC3048
69
FIGURA 4.19 – Tamanho da pilha
70
FIGURA 4.20 – Tonelada a ser empilhada no cordão atual
70
FIGURA 4.21 – Sinalização de término de minério a ser empilhado
70
FIGURA 4.22 – Condição para ligar a empilhadeira em automático
72
FIGURA 4.23 – Passo um: posicionar a lança em noventa graus
73
FIGURA 4.24 – Envio do valor noventa para o ângulo da empilhadeira
73
FIGURA 4.25 – Acionamento da lógica de formação de dez cordões no pátio 1
74
FIGURA 4.26 – Envio do ângulo referente ao primeiro cordão para o parâmetro de giro
75
FIGURA 4.27 – Variável de giro referente à formação de dez cordões no pátio um
75
FIGURA 4.28 – Ativação da variável de acionamento de giro geral
75
FIGURA 4.29 – Comparação entre o ângulo atual de empilhadeira e o ângulo destino
76
FIGURA 4.30 – Ligamento do motor do giro da lança
76
FIGURA 4.31 – Desligamento do motor do giro da lança
77
FIGURA 4.32 – Motor de giro da lança
77
FIGURA 4.33 – Encoder absoluto de giro
78
FIGURA 4.34 – Translação da EM3049 para a posição inicial
79
FIGURA 4.35 – Comparação entre a posição atual e a de início da pilha ajustada
79
FIGURA 4.36 – Variáveis individuais de acionamento de locomoção
80
FIGURA 4.37 – União das variáveis de acionamento de locomoção
80
FIGURA 4.38 – Comparação entre as posição da EM3049 e as de inicio e fim da pilha
81
FIGURA 4.39 – Definição da direção de deslocamento da empilhadeira
82
FIGURA 4.40 – Acionamento de variáveis de locomoção
83
FIGURA 4.41 – Ajuste da posição da empilhadeira decorrente da mudança de ângulo
83
FIGURA 4.42 – Junção das variáveis de deslocamento
84
FIGURA 4.43 – Ligamento do sistema de locomoção da empilhadeira
85
FIGURA 4.44 – Desligamento do sistema de locomoção da empilhadeira
85
FIGURA 4.45 – Motor de locomoção da empilhadeira
86
FIGURA 4.46 – Deslocamento para a formação do primeiro cordão
87
FIGURA 4.47 – Descolamento para a formação do cordão selecionado pelo operador
87
FIGURA 4.48 – Posicionamento da lança para formação do primeiro cordão
88
FIGURA 4.49 – Locomoção da empilhadeira para formação dos cordões
89
FIGURA 4.50 – Acionamento do giro para formação do segundo cordão
89
FIGURA 4.51 – Fim da sequência automática
90
FIGURA 4.52 – Reset da lógica de formação da pilha
90
FIGURA 4.53 – Defeito no sensor de giro da lança: gravação do ângulo atual
92
FIGURA 4.54 – Defeito no sensor de giro da lança: comparação entre os ângulos
92
FIGURA 4.55 – Princípio de funcionamento de um encoder rotativo
93
FIGURA 4.56 – Falha de operação do sensor de locomoção
95
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Ângulos de repouso dinâmico da lança da empilhadeira por cordão
35
Tabela 3.2 – Determinação da tonelada via PI DataLink
36
Tabela 3.3 – Dispositivos de entrada e saída discretas (modificada)
40
Tabela 3.4 – Dispositivos de entrada e saída numéricas (modificada)
41
Tabela 3.5 – Tabela verdade AND
47
Tabela 3.6 – Tabela verdade OR
48
Tabela 4.1 – Valor de "EPASS" de acordo com o cordão e acionamento requerido
64
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO
13
1.1
Objetivo
14
1.2
Metodologia
15
1.3
Justificativa
15
1.4
Estrutura do trabalho
17
2
ESTOCAGEM E EMPILHAMENTO DE MINÉRIO
19
2.1
Pátio de estoque
21
2.2
Métodos de empilhamento
23
2.2.1
Método Cone Shell
23
2.2.2
Método Chevron
24
2.2.3
Método Windrow
26
3
INSTRUMENTOS E SOFTWARES DE DESENVOLVIMENTO
30
3.1
PIMS
30
3.1.1
PI DataLink
32
3.1.1.1 Determinação do ângulo por cordão
33
3.1.1.2 Determinação da quantidade de minério por cordão
35
3.2
PLC
37
3.2.1
Principio de funcionamento de um PLC
42
3.2.2
Linguagem de programação
43
3.2.3
Blocos de instruções
46
3.2.3.1 AND
46
3.2.3.2 OR
47
3.2.3.3 RS
48
3.2.3.4 TON
49
3.2.3.5 TOF
49
3.2.3.6 R_TRIG e F_TRIG
50
3.2.4
50
Concept
4
PROGRAMAÇÃO DO PLC
54
4.1
Parâmetros e acionamentos gerais da empilhadeira
56
4.1.1
Condições para a empilhadeira rodar em automático
56
4.1.2
Determinação de parâmetros na IHM
58
4.1.3
Parâmetros dos ângulos por cordão
62
4.1.4
Correção do ângulo em um grau
64
4.1.5
Verificação da presença de material na correia transportadora 3049
67
4.1.6
Monitoramento da tonelada a ser depositada por cordão e indicação de término
69
do mesmo
4.2
Passos para o empilhamento automático de minérios
71
4.2.1
Condição para acionar a empilhadeira em automático
71
4.2.2
Passo 1: posicionar ponta da lança em noventa graus
72
4.2.2.1 Acionamento de giro da empilhadeira
73
4.2.3
78
Passo 2: Translação da EM3049 para a posição inicial
4.2.3.1 Acionamento de locomoção da empilhadeira
80
4.2.4
Passo 3: Deslocamento para o cordão selecionado
86
4.2.5
Formação de uma pilha de dez cordões
87
4.2.5.1 Posicionamento da lança para formação do primeiro cordão
88
4.2.5.2 Locomoção da empilhadeira para formação dos cordões
88
4.2.5.3 Posicionamento da lança para formação dos demais cordões
89
4.2.5.4 Fim da sequência automática
89
4.3
Paradas não programadas da empilhadeira
91
4.3.1
Defeito no sensor de giro da lança
91
4.3.2
Falha de operação do sensor de locomoção da empilhadeira
92
5
CONCLUSÃO
96
REFERÊNCIAS
98
13
INTRODUÇÃO
A mineração no Brasil se faz presente desde a época da corrida do ouro, e seu crescimento é
notável ao se analisar a produção anual de minérios no país. A Vale, maior empresa
mineradora do Brasil e segunda do mundo, está em atividade desde 1942, quando se teve a
inauguração da mina Cauê, em Itabira, Minas Gerais. Ao analisar a produção de minério entre
o segundo trimestre de 2009 e o de 2010, observa-se que a mesma aumentou em 23,7%. Este
aumento não ocorreu apenas pela descoberta de novas minas, mas também pela evolução no
processo de mineração, nos equipamentos utilizados e pela automatização destes processos,
assim como suas respectivas máquinas (MOREIRA, 2010).
De acordo com Gomes (2004), a automação é o conjunto das técnicas baseadas em máquinas
e programas, cujo objetivo é controlar tarefas previamente programadas pelo homem, sendo
posteriormente executadas sem a intervenção humana. Através desta sequência de tarefas, o
usuário consegue maximizar com qualidade e precisão seu processo produtivo, uma vez que
consegue controlar as variáveis diversas de seus processos, como temperatura, pressão, nível e
vazão, e gerenciando à distância toda a cadeia produtiva.
A automatização dos equipamentos dentro de uma indústria proporciona vantagens para a
empresa e também para o empregado. Para a empresa, destaca-se a continuidade operacional,
uma vez que as máquinas permanecerão operando vinte e quatro horas por dia, sete dias por
semana, funcionando em um ritmo maior do que quando operado por funcionários, ampliando
a produtividade e qualidade. Para o empregado, a maior vantagem do processo de
automatização se dá pelo afastamento de atividades consideradas perigosas, em ambientes
inóspitos, e atividades repetitivas e maçantes. Assim, este funcionário pode ser mais bem
aproveitado em outras funções, podendo aproveitar seu conhecimento em relação ao
equipamento automatizado, fazendo sua manutenção ou monitoramento (FERTRON, 2010).
Segundo Santos (2009), em uma mineradora, estas características se fazem ainda mais
necessárias, uma vez que a mineração é uma das atividades industriais que apresentam maior
índice de risco para seus trabalhadores. A classificação deste índice é feita pelo Ministério do
Trabalho e Emprego, e relaciona a mineração ao índice de risco situado no nível 4, o mais alto
14
dessa classificação. Portanto, quanto mais a empresa puder continuar sua produção sem
colocar os empregados em risco de acidentes, melhor para a empresa e para o empregado.
Uma das máquinas existentes em um complexo minerador é a empilhadeira de minérios,
conhecida como stacker. Esta máquina recebe o minério proveniente da britagem, processo de
redução no tamanho do minério vindo da mina, e estoca-o em pilhas, conhecidas como pilhas
pulmão. Há, na Mina de Conceição, em Itabira, dois tipos de minério a serem estocados, e o
stacker percorre o meio do pátio de estocagem, formando de um lado as pilhas de hematita e
do outro lado as pilhas de itabirito. Estes dois tipos de minérios são diferenciados apenas pela
quantidade de ferro presente na sua composição, sendo o itabirito o minério mais pobre
(MOURA, 2008).
Para alcançar o objetivo de automatizar a empilhadeira, utilizam-se recursos como o PLC, um
Controlador Lógico Programável, que possui em sua memória a programação necessária para
que o stacker não necessite de um operador para funcionar. Dentro da cabine do operador há
uma IHM, Interface Homem Máquina, que coleta dados do PLC e deixa disponível para que o
operador saiba o valor exato das variáveis no momento. O ângulo atual de repouso dinâmico
da lança e a posição da empilhadeira no pátio são algumas das variáveis disponíveis na IHM
para o operador.
1.1
Objetivo
Projetar a automatização da operação de uma empilhadeira da mineradora Vale, localizada na
Mina Conceição, em Itabira, Minas Gerais, utilizando um Controlador Lógico Programável.
O desenvolvimento deste estudo compreende os seguintes objetivos específicos:
a)
Definir os métodos de empilhamento e estocagem de material, assim como
sua importância;
b) Analisar as plataformas escolhidas para o desenvolvimento da programação
do PLC;
c)
Elaborar e implementar lógicas de controle e empilhamento automático,
utilizando a linguagem de programação em diagrama de blocos funcionais
(FBD);
d) Análise da resposta do equipamento em relação à programação feita.
15
1.2
Metodologia
Primeiramente, fez-se um estudo do comportamento da empilhadeira, evidenciando as ações a
serem tomadas pela máquina desde o recebimento do minério proveniente da britagem, até o
empilhamento propriamente dito. Cada pilha feita é formada por um número de cordões, que
são pequenas pilhas, e formam ao final uma pilha no formato de uma pirâmide.
Todos os dados monitorados nas áreas de produção da Vale são arquivados em um banco de
dados temporal1, o PIMS (Plant Information Management System), e podem vir a ser
acessados e analisados através de aplicativos como o PI DataLink, um suplemento do
Microsoft Excel. Os dados são exibidos em uma planilha, o que faz com que a análise dos
mesmos seja feita de maneira mais fácil e objetiva. Foram feitas duas análises de dados,
sendo a primeira referente ao repouso dinâmico da lança da empilhadeira para a formação dos
cordões e a segunda à massa depositada por cordão (SEIXAS FILHO, 2005).
Após a aquisição dos dados referentes ao processo de estoque de minério, foi determinado o
PLC que comportaria a programação da empilhadeira, sendo escolhido um PLC Schneider
Quantum com capacidade de memória de até 7 Mb, e utilizando o software também
desenvolvido pela Schneider, Concept, para a programação feita em diagrama de blocos
funcionais (FBD), uma das cinco linguagem que o PLC da família Quantum admite. Este
controlador escolhido, nomeado como EM3049, faz interface com o PLC que faz a aquisição
dos dados da empilhadeira, o CP394001 (SCHNEIDER, 2010).
1.3
Justificativa
A indústria da mineração do ferro tem grande importância econômica na sociedade brasileira.
De acordo com Júnior e Curi (2004), o valor de sua produção representa 15% do valor da
produção mineral brasileira, ficando atrás apenas da produção de petróleo. Estes mesmos
autores colocam que o Brasil ocupa a 2ª posição no ranking da produção de minério de ferro
beneficiado mundial, sendo um grande exportador.
1
Banco de dados temporal é o tipo de banco de dados capaz de armazenar dados passados, presentes e futuros
sobre os objetos de interesse para um negócio. O modelo de dados com propriedades temporais tem três
dimensões; uma representando as instâncias ou linhas de um objeto do negócio; outra representando os seus
atributos; e uma terceira cujo propósito é associar o elemento tempo ao valor de cada atributo.
16
O produto da mina Conceição é o minério de ferro que, como a grande maioria dos produtos,
deve satisfazer algumas exigências dos consumidores. Para que tais exigências sejam
alcançadas, é feito um planejamento visando a utilização satisfatória dos recursos disponíveis
pela empresa, como seus equipamentos, garantindo assim a seu produtor uma margem de
lucro satisfatória que o torne competitivo frente à concorrência (FORTES e FIGUEIREDO,
2006).
A competição entre as indústrias, sempre em busca do seu crescimento e maior destaque no
cenário nacional e mundial, transformou a automação em um dos principais requisitos para
que seja mais eficiente sua participação no mercado e contribuição no desenvolvimento do
país. Uma indústria que apresenta, hoje, seu processo inteiramente manual, não consegue
competir com as que possuem parte de seus processos automatizados, uma vez que esta terá
uma menor produção e, na maioria das vezes, um produto de menor qualidade também
(FERTRON, 2010).
Uma pesquisa realizada pelo SENAI-RJ, em 2004, em 65 indústrias do estado do Rio de
Janeiro, mostra como um dos principais motivos que levaram as indústrias a investir na
automação, a valorização da qualidade industrial, seguido pela melhoria da competitividade
de mercado. A figura 1.1 mostra o resultado da pesquisa juntamente com as outras motivações
citadas pelas indústrias (GOMES, 2004).
Sendo assim, o processo de automatização das atividades de uma indústria, bem como seus
equipamentos, é um processo natural e necessário para continuar no mercado atualmente. Na
Vale, cada vez mais são requeridas as automatizações de seus processos, sempre avaliando
sua real necessidade e seus benefícios para a empresa, como foi o caso do processo de
estocagem e empilhamento dos minérios.
17
FIGURA 1.1 – Motivos para automatização de processos
Fonte: GOMES, 2004
1.4
Estrutura do trabalho
No capítulo 1 apresenta-se uma breve introdução ao assunto proposto do trabalho, assim
como seu objetivo, metodologia e justificativa.
No capítulo 2 são abordadas as definições de estocagem e empilhamento de minérios, bem
como sua relevância e métodos comumente empregados. É feita a análise do método mais
adequado de acordo com as exigências do produto final da Vale.
No capítulo 3 tem-se a análise das ferramentas de desenvolvimento escolhidas para aquisição
de dados necessários a respeito da estocagem de minérios, assim como os instrumentos e
software utilizados no desenvolvimento da programação. É mostrada a aquisição dos dados
feita utilizando o PI DataLink, em planilhas do Microsoft Excel, das variáveis de tonelada
estocada e o ângulo da empilhadeira em cada processo de estoque.
18
No capítulo 4 é mostrada a programação desenvolvida para que fosse possível a utilização da
empilhadeira em automático. Esta programação foi desenvolvida utilizando a linguagem de
diagrama de blocos funcionais em um software da mesma empresa do PLC, a Schneider.
Por fim, no capítulo 5, fala-se das conclusões sobre o projeto, analisando as possíveis
modificações a serem feitas na programação, e também na melhoria em relação ao ambiente
de trabalho dos operadores da empilhadeira.
19
ESTOCAGEM E EMPILHAMENTO DE MINÉRIO
O minério da Mina de Conceição, na Vale, após ser desmontado na mina por meio de
explosivos, é levado através de caminhões fora-de-estrada para a primeira etapa de
beneficiamento do minério, a cominuição. Esta é a fase que visa reduzir o tamanho dos
blocos de minério, respeitando a granulometria necessária para as etapas seguintes do
beneficiamento. O equipamento necessário para esta cominuição é o britador, sendo que para
chegar ao tamanho ideal, o minério pode passar por mais de um britador durante seu
percurso. Quanto mais estágios de britagem o minério passa, mais fino é o produto final
(SATYRO, 2008).
Após a passagem pelo britador, o minério pode ser levado para a usina de beneficiamento ou
estocado. De acordo com Chaves e Ferreira (1996), os três métodos de estocagem mais
comuns são o estoque em vagões ferroviários, silos ou pilhas. A estocagem em vagões
ferroviários é usada quando se deseja evitar a movimentação do minério de um vagão para
uma pilha e futuramente para outro vagão, evitando os efeitos negativos do manuseio sobre o
material. A estocagem em silos é característica de estoques de material que estão em
processamento durante a etapa de beneficiamento e, portanto, utilizada apenas quando é
necessário o estoque em quantidade reduzida.
Segundo Fortes e Figueiredo (2006), a estocagem em pilhas é o método mais usado na
mineração, tendo como vantagens sobre os outros métodos o fato de permitir a estocagem de
grandes quantidades, durante longos períodos de tempo; e um custo relativamente baixo,
quando comparado com os silos e vagões ferroviários.
O destino mais usual do minério britado é o pátio de estocagem, exceto quando não há
minério suficiente para a formação das pilhas, sendo necessário o envio direto de todo o
produto para a alimentação da usina. Os produtos gerados pelos britadores formam, então, as
pilhas reguladoras de itabirito e hematita, os dois tipos de minério extraídos na mina. Estas
pilhas reguladoras são chamadas de pilhas pulmão, e ficam localizadas no pátio superior de
estocagem da mina de Conceição, situado entre as etapas de britagem e a usina (OLIVEIRA,
2006).
20
Chaves e Ferreira (1996) afirmam que os estoques servem também para fazer uma reserva
para que haja a continuidade da operação quando não houver atividade na mina, como em
épocas de chuva, nas paradas previstas ou de emergência da mina. Outro motivo para o
estoque de minério é o aguardo para o carregamento dos meios de transporte, como os trens,
o que ocorre na mina de Conceição depois do processo de beneficiamento do minério.
Quando o produto completa suas etapas na usina é preciso depositar o mesmo em um pátio
para que seja feito, posteriormente, o carregamento dos vagões do trem que leva o produto
para o porto situado em Vitória. Este pátio situado entre a usina e o carregamento é chamado
de pátio inferior.
Conforme visto, a estocagem feita em pátios é a melhor escolha para mineradoras de grande
porte como a Vale, porém esta etapa pode ser dividida ainda em estocagem a céu aberto ou
em galpões fechados (FERREIRA, 1989).
Segundo Zador (1991), a estocagem em pilhas a céu aberto é o método mais utilizado
tratando-se de minério de ferro. Não obstante, este método exige regras e possui limitações
quanto a, por exemplo, a perecibilidade do material, e deve-se levar em consideração e evitar
as possíveis perdas pela ação do calor, chuva e vento. A figura 2.1 mostra um pátio de
estocagem em pilhas a céu aberto.
FIGURA 2.1 - Pátio de estocagem de minério da Vale em São Luís, Maranhão
Fonte: MARANHÃO, 2010
21
O processo de estocagem de minério no pátio é feito vinte e quatro horas por dia, sete dias por
semana, o que exige que sempre tenha um operador na empilhadeira para execução de ações
como definição do ângulo da ponta da lança da máquina. Esta definição das variáveis é feita
baseada no que o operador está vendo e determinada de acordo com sua percepção, variando
assim de operador para operador, ou até mesmo entre a mesma pessoa (MARANHÃO, 2010).
1.5
Pátio de estoque
O pátio superior está dividido em duas áreas paralelas. No pátio 1 é feita a estocagem da
hematita, um tipo de minério de ferro mais rico em ferro do que o minério estocado no pátio
2, o itabirito. A produção e, consequentemente, o estoque do itabirito é maior do que da
hematita, por ser mais abundante na mina de Conceição. Os dois minérios são levados à
empilhadeira através da mesma correia transportadora, porém um de cada vez, o que permite
a formação de pilhas distintas dos dois produtos. O operador da empilhadeira fica sabendo
qual o produto a ser estocado através de um rádio e muda a posição da lança de lado do pátio
superior para o outro.
É possível que se faça necessária a mistura entre minérios de diferentes teores de ferro, para
que o produto final atenda às especificações de qualidade requeridas pelo cliente. Para isto,
faz-se a homogeneização do mesmo, ou seja, é feita a mistura de produtos com parâmetros de
qualidades diferentes com o objetivo de se obter um conjunto que tenha composição ou
características uniformes. Na Vale, as retomadoras são as máquinas responsáveis pelo
processo de homogeneização, garantindo a sua qualidade, porém, há no mercado
empilhadeiras que fazem esse
serviço também. As retomadoras são, assim como as
empilhadeiras, chamadas de máquina de pátio.
As empilhadeiras são as máquinas responsáveis pela tarefa de empilhar e estocar o minério, e
na mina de Conceição atualmente existe uma no pátio superior e duas no pátio inferior. Cada
equipamento na Vale é reconhecido através de uma numeração, geralmente composto por
quatro números. Os equipamentos que se situam próximos no decorrer do trajeto do minério
possuem também uma numeração próxima, a fim de facilitar sua identificação, uma vez que a
quantidade de equipamentos presentes na Vale é da ordem de centenas. O stacker a ser
automatizado é nomeado como 3049, e está situado no pátio superior de estoque e recebe os
22
produtos provenientes da britagem através da correia transportadora 3048, empilhando o
produto no pátio, de acordo com o tipo de minério recebido (MOURA, 2008).
A empilhadeira possui, como componentes básicos, os trilhos que permitem a sua deslocação
ao longo do pátio; uma base, sendo ela fixa ou móvel; a torre que garante a altura das pilhas
formadas; a lança, que pode ser fixa, giratória ou com movimento vertical; o tripper; a correia
de alimentação e o chute de descarga. A empilhadeira EM3049 possui uma base fixa, e a
rotação entre os dois pátios é feita pela sua lança, que é giratória, conforme a figura 2.2.
FIGURA 2.2 - Estoque no pátio 2 pela empilhadeira 3049
Fonte: VIEIRA, 2010.
Para o controle e monitoramento dos equipamentos da empilhadeira, ela possui um sistema
formado por um PLC (Controlador Lógico Programável) e uma IHM (Interface HomemMáquina). A programação existente no PLC monitora e controla todos os equipamentos
permitindo o funcionamento seguro dos mesmos nos aspectos elétricos, mecânicos e
operacionais. Monitora e controla também as variáveis de processo, que são, no caso da
empilhadeira, o de repouso dinâmico da lança e a posição da base, garantindo assim a
eficiência do processo. A IHM é utilizada para que o operador da máquina tenha
conhecimento sobre o valor real das variáveis de processo.
23
Com a operação da máquina sendo feita através da IHM, o operador passa a ter como sua
função principal o monitoramento do processo, uma vez que sua interferência será mínima,
agindo apenas quando houver necessidade em relação às mudanças de dados básicos como o
inicio e fim da pilha a ser feita (MARANHÃO, 2010)
1.6
Métodos de empilhamento
O empilhamento do minério, juntamente com a retomada do mesmo, são etapas fundamentais
para a garantia do produto final produzido pela Vale. Para garantir a qualidade do produto
deve-se escolher o método de empilhamento mais adequado, levando em consideração o
produto final a ser estocado, o tamanho da pilha a ser formada e da área existente no pátio. Os
três principais métodos de empilhamento, segundo Schofield (1980) são: Chevron, Windrow e
Cone Shell.
Algumas empresas fazem uma combinação entre métodos, ou modificam detalhes dos
métodos já existentes, como os Multichevron, Conevron e Multicone. Serão mostradas a
seguir as vantagens e desvantagens de cada um dos métodos, e o porquê de escolher o método
Windrow para ser utilizado na Mina de Conceição (OPERAÇÕES, 2001).
1.6.1 Método Cone Shell
Neste método, o minério é estocado em cones ao longo do pátio de estoque. A empilhadeira
inicia a formação de um cone e somente passa para o próximo quando encerra a formação do
cone que está sendo feito no momento. O próximo cone é feito, então, quando a empilhadeira
posiciona sua lança sobre a base do último cone formado e começa a descarregar o material
até atingir a altura máxima e repete a operação tantas vezes quanto necessário, conforme a
figura 2.3.
24
FIGURA 2.3 – Empilhamento pelo método Cone Shell
Fonte: JULIÁ, 2010
A grande vantagem deste método é que a empilhadeira fica parada a maior parte do tempo,
facilitando a operação da mesma. Outra vantagem é o fato da degradação granulométrica
ocorrer com maior intensidade somente no cone inicial. Sendo assim, este método diminui o
desgaste dos equipamentos, trilhos e cabos elétricos (OPERAÇÕES, 2001).
O método Cone Shell seria ineficaz na mina de Conceição, principalmente porque é utilizado
para o estoque de pelotas, um tipo de produto final que não é estocado no pátio superior da
mina de Conceição, pois se trata de um produto final, que recebe vários processos de
beneficiamento dentro da usina. Outro motivo de não se utilizar este método no caso em
questão é o fato da homogeneização do material empilhado ser mínima, conseguida apenas
devido às complicações no manuseio e através de uma sequência bem feita de construção dos
cones.
1.6.2 Método Chevron
De acordo com Juliá (2010), este método consiste no empilhamento de camadas sucessivas ao
longo do mesmo eixo, umas sobre as outras, na direção longitudinal da pilha. Este é o método
básico de empilhamento, por ser o mais barato e satisfatório em termos de homogeneização.
A pilha formada através deste método é mostrada na figura 2.4.
25
FIGURA 2.4 – Empilhamento pelo método Chevron
Fonte: JULIÁ, 2010
Segundo Juliá (2010), as vantagens que o método Chevron apresentam são:
a)
Facilita a identificação e descontaminação de impurezas durante o
empilhamento, possibilitando a adição de materiais corretivos em qualquer
instante (até nas últimas camadas empilhadas, de forma a manter o produto
sempre dentro das especificações desejadas);
b) Espalhamento maior dos lotes empilhados, especialmente os últimos lotes
empilhados;
c)
Permite maior escoamento da água proveniente do próprio minério, da chuva
ou de aspersão (OPERAÇÕES, 2001);
d) A empilhadeira pode ter torre fixa, e sua lança, menor comprimento,
resultando numa empilhadeira de peso relativamente menor, e com um custo
total de instalação mais baixo;
e)
A retomadora dos cones externos é mais simples que nos demais métodos.
Conforme Operações (2001), as desvantagens deste método são:
a)
Dificuldade para o operador manter a ponta do stacker sobre a mesma
camada, causando diferença de volume entre os lados da pilha.
b) Maior possibilidade de desmoronamento da pilha, comprometendo a
segurança.
c)
Redução da área útil de estocagem.
26
O método Chevron, segundo Juliá (2010), é o que possui a automação mais simples dos
movimentos da empilhadeira. Porém, possui como desvantagem o fato de fazer com que as
partículas de maior granulometria fiquem depositadas apenas na parte inferior da pilha, o que
não é aceitável, pois a segregação granulométrica é um aspecto crítico para os próximos
processos de beneficiamento.
1.6.3 Método Windrow
O método Windrow consiste em cobrir toda a área determinada para ser ocupada pela pilha
por uma série de pilhas paralelas entre si, e na direção longitudinal do pátio. Cada uma das
pilhas paralelas, denominadas cordões, consistirá em um deslocamento da empilhadeira na
direção longitudinal escolhida, até que a sequencia seja formada. Completado o primeiro
conjunto de cordões, o que irá formar a base da pilha final, um novo conjunto é iniciado,
sendo o empilhamento feito, desta vez, nos espaços entre os cordões que formaram a base.
Essa sequência deve ser seguida até que a pilha esteja com o formato de uma pirâmide, como
mostra a figura 2.5 (JULIÁ, 2010).
FIGURA 2.5 – Empilhamento pelo método Windrow
Fonte: JULIÁ, 2010
De acordo com Operações (2001), as vantagens existentes na utilização deste método são:
a)
Diminuição da segregação granulométrica: as partículas grossas e finas ficam
bem distribuídas por toda a pilha;
b) Melhor homogeneização dos componentes da pilha;
c)
Melhor aproveitamento da área de empilhamento;
27
d) Aumento na taxa de recuperação do minério.
Por sua vez, as desvantagens são:
a)
Dificulta a identificação e a descontaminação de impurezas durante o
empilhamento;
b) A automação dos movimentos da empilhadeira requer um controlador
programável capaz de acionar a reversão do movimento e sua movimentação
lateral ao fim de cada passada;
c)
É necessária uma empilhadeira com lança giratória ou telescópica;
d) Se acontecer a necessidade de retomar uma pilha incompleta pode ocorrer
dificuldades operacionais.
Uma pilha corresponde, portanto, à soma destes cordões, sendo a quantidade de cordões por
pilha uma das variáveis escolhidas pelo operador. Podem-se formar pilhas com dez, sete,
cinco ou três cordões, caso a pilha seja de hematita, e pilhas com dez ou sete cordões, se o
minério em questão é o itabirito. Na figura 2.6 observa-se uma pilha formada por dez cordões.
Este método é utilizado para a formação de pilhas de granulados, finos, pellet feed e
concentrados.
FIGURA 2.6 – Formação de uma pilha de dez cordões
Fonte: OPERAÇÕES, 2001.
Uma pilha possui quatro disposições diferentes de formação, levando em consideração o seu
número de cordões. O mais usual é a pilha feita por dez cordões, independente do produto a
ser estocado, e sua formação respeita uma sequência previamente definida. Esta formação
promove uma maior homogeneização dos finos de minério e evita a segregação das partículas
maiores (OLIVEIRA, 2006).
28
No caso de uma pilha que contém dez, sete ou cinco cordões, observa-se que a base é
composta por quatro cordões de mesma largura. Conforme visto na figura 2.7, ao
considerarmos o empilhamento de itabirito e a formação de dez cordões, tem-se o stacker no
lado direito da pilha, ou seja, o primeiro cordão é feito quando o ângulo de repouso dinâmico
da lança está em seu valor mais próximo de zero, respeitando os limites de largura do pátio.
Foi determinado que o primeiro cordão fosse o mais próximo da extremidade externa do pátio
levando em consideração a visão do operador que se encontra dentro da cabine da
empilhadeira. Assim, o operador começa a limitar o espaço que terá para fazer o
empilhamento do minério.
Seguindo o mesmo raciocínio, o cordão 2 passa a ser feito na extremidade do pátio 1 mais
próximo da máquina, fechando o campo de empilhamento. O cordão 3 é feito ao lado do
cordão 1 para que não seja bloqueada a visão do operador, uma vez que se o mesmo fosse
feito ao lado do cordão dois ficaria difícil a visualização de qual o posicionamento correto que
a lança precisaria ter para a formação do cordão que completaria a base da pilha.
Os seguintes cordões seguem a mesma linha de raciocínio, começando sempre pela formação
do cordão extremo e mais longe da empilhadeira, seguido pelo cordão extremo próximo da
máquina, e os cordões do meio sendo formados de fora para dentro do pátio.
29
FIGURA 2.7 - Empilhamento Automático – Pátio 1 e Pátio 2 (modificada)
Fonte: MOURA, 2008
30
INSTRUMENTOS E SOFTWARES DE DESENVOLVIMENTO
Para a realização do trabalho, foram necessárias duas ferramentas distintas de
desenvolvimento. A primeira foi utilizada para a aquisição de dados relativos ao processo, e a
segunda para o controle do processo e a automatização da empilhadeira. Em um primeiro
momento, a aquisição de dados se fez necessária para análise de valores que seriam utilizados
na etapa de programação. Esta aquisição foi feita através do aplicativo do PI DataLink, que
utiliza um banco de dados existente no sistema PIMS,
onde são gravadas todas as
informações da planta de produção.
Os dados que necessitaram do aplicativo PI DataLink foram a tonelada empilhada por cordão
formado e o ângulo do stacker referente a cada cordão. A análise foi feita durante um
intervalo de tempo de dois meses e levado em consideração, por exemplo, o ângulo esperado
da empilhadeira, considerando a largura do pátio de estocagem e a quantidade de cordões a
serem feitos.
A segunda ferramenta utilizada foi o PLC, um controlador lógico programável, junto com o
software da Schneider Electric, Concept, usado para a programação do controlador da
empilhadeira. Segundo Pacheco e Zuccolotto (2010), o PLC tem como função o controle ou
supervisão de uma máquina ou até mesmo de um processo. Como as regras de controle
dependem do que se pretende controlar, se faz necessário programar tais regras no
controlador. A execução deste programa requer uma série de operações, como varredura dos
pontos de entrada e saída, tratamento de comunicações com as unidades remotas e a tomada
de decisão baseada no que foi programado.
1.7
PIMS
O PIMS, Plant Information Management System, é um sistema que contém um banco de
dados temporal que concentra todas as informações relevantes das células de produção,
independente da etapa. É capaz de realizar aquisição de dados de diversas fontes, como PLCs,
SCADA, LIMS e SDCDs, e os armazena em uma base de dados real time, sendo útil tanto na
visualização do processo produtivo em tempo real quando o histórico do processo. Capaz de
31
arquivar dados de muitos anos e com um período de amostragem maior do que sistemas
supervisórios e PLCs, o PIMS proporciona uma centralização de dados de processo, e
consequentemente uma maior facilidade na visualização de possíveis problemas tanto no
chão-de-fábrica quanto no nível gerencial, pois se encontra no meio da pirâmide de
automação, conforme a figura 3.1. (ACCENTURE, 2008).
FIGURA 3.1 – PIMS e MES
Fonte: SEIXAS FILHO, 2005
A base da pirâmide é composta pelos sistemas de supervisão e controle de processos, como os
PLC's e sistemas supervisórios. Acima, estão os bancos de dados referentes às informações de
planta (PIMS) e manufatura (MES), e fazem a ligação entre a base com o topo da pirâmide,
levando os dados do chão-de-fábrica para o ERP, ou Sistemas Integrados de Gestão
Empresarial , disponibilizando dados e integrando-os à ferramentas para as áreas de finanças,
manufatura, contábil, recursos humanos, marketing, vendas, compras entre outras, de
diferentes unidades fabris, em diferentes localidades, até mesmo em diferentes países.
Apesar de ter interface direta com PLCs no chão-de-fábrica, não é prática comum fazer o
controle da planta pelo PIMS, utilizando-o mais para análise do processo. Possui ferramentas
de análise bastante completas como controle estatístico, correlação de variáveis, cálculos
sofisticados e análise de bateladas e eventos. A visualização dos dados se dá através de
diversos modos, sendo os mais usuais as planilhas, gráficos de tendência, gráficos XY, telas
sinóticas com animações gráficas em tempo real ou históricas e aplicações web.
32
Segundo Seixas Filho (2005), um dos maiores benefícios de um PIMs é permitir ao usuário
entender as situações operacionais que se apresentam, e compará-las com situações padrões
previamente arquivadas. Para a análise dos dados da empilhadeira necessários para sua
automatização. Uma vez que se necessita apenas de tabelas com os valores de ângulo, massa
de minério transportada pela correia transportadora da empilhadeira e data/hora dos
respectivos valores, foi utilizado um aplicativo do PIMS capaz de gerar planilhas no
Microsoft Excel, o PI DataLink.
1.7.1 PI DataLink
O PI DataLink é um suplemento do Microsoft Excel que permite ao usuário restaurar e
computar dados do PI Server diretamente para uma planilha. Dentro da Vale, na DIFS,
Departamento de Ferrosos Sudeste, existem 6 servidores, sendo dois para o Complexo
Mariana, três para o Complexo Minas Centrais e um para o Complexo Itabira. Para ser
possível a leitura dos dados no DataLink, é requerida uma conexão com o PI Server da mina
que se deseja a visualização dos dados. Para obter dados de minas diferentes, deve-se conectar
aos seus servidores correspondentes, mantendo conexões a mais de um PI Server ao mesmo
tempo, embora possa ser necessário especificar o servidor de destino ao utilizar qualquer
função do PI DataLink.
Com o DataLink é possível recuperar não só os valores atuais e históricos dos dados, mas
também a descrição da tag que se deseja informação, a unidade de engenharia, a origem da
tag, etc. De acordo com Silva e Salvador (2005), tags são todas as variáveis numéricas ou
alfanuméricas envolvidas em um determinado processo, podendo executar funções
computacionais como operações matemática e lógicas, ou representar pontos de entrada/saída
de dados do processo que está sendo controlado. Assim, cada equipamento possui alguns
dados passiveis de medição, como corrente de um rotor, vazão de uma válvula, massa de uma
balança e nível de um tanque, sendo estas variáveis a ligação entre o controlador e o sistema.
Cada informação desta é gravada em uma tag, junto com a data e hora de seus valores,
gravando sempre que há mudança no valor ou quando passar um intervalo de tempo prédefinido pelo criador da tag. Não é necessário que esta informação seja analógica, ou seja,
gravam-se também informações digitais, como a situação atual de um equipamento, se ele se
33
encontra em funcionamento ou parado. É com base nos valores das tags que os dados
coletados são apresentados ao usuário.
O PI DataLink fornece uma interface gráfica para recuperar dados e criar funções e cálculos.
As funções do DataLink são inseridas em células da planilha e podem fornecer atualizações
ativas de dados em tempo real a partir do PI server. Também é possível usar os ricos recursos
de cálculo e formatação do Excel para organizar e apresentar dados do PI system a fim de
ajustar à sua meta ou da audiência. Em combinação com os recursos computacionais, gráficos
e de formatação do Microsoft Excel, o PI DataLink oferece poderosas ferramentas para
coletar, monitorar, analisar e relatar dados do PI (SEIXAS FILHO, 2005).
Os dados necessários para a programação do PLC, que utilizaram o PI DataLink para sua
determinação, foram o ângulo da empilhadeira e a tonelada empilhada referente a cada cordão
feito, sendo mostrado a seguir como foram determinados e analisados.
1.7.1.1 Determinação do ângulo por cordão
Para a determinação do ângulo correspondente a cada cordão a ser feito, chamado de ângulo
de repouso dinâmico, foi utilizado o PI DataLink. As informações sobre o ângulo que a lança
da empilhadeira se encontra em determinado momento estão gravadas na
tag
CE_EM3049_GR_ZI1, onde:
a)
CE: corresponde à mina onde a máquina se encontra, neste caso, Conceição;
b) EM3049: equivale à sigla do tipo de equipamento (empilhadeira) e seu
número de identificação (3049);
c)
GR: faz menção ao giro da lança, é uma identificação opcional.
d) ZI1: corresponde a medição sendo feita, ou seja, indicação de posição
angular.
A princípio foram feitos estudos referentes ao feitio de 10 cordões por pilha, o que é mais
usual na Mina de Conceição. Para a análise no DataLink, além da tag referente ao ângulo, se
faz necessário a escolha do intervalo de tempo e, para melhor visualização dos dados, o tempo
de amostragem dos mesmos. A análise foi feita coletando dados a partir do dia 22 de maio de
2010 até o dia 27 de junho de 2010, com um intervalo de 10 minutos entre cada dado. Os
ângulos até 80 graus são referentes ao empilhamento de itabirito, minério de ferro de baixo
34
teor, e os ângulos de 100 até 180 graus são registrados durante o empilhamento de hematita,
minério de alto teor.
Pelo desenho frontal da formação de pilha de dez cordões, mostrada na figura 3.2, nota-se que
os cordões três e oito, sete e dez, e quatro e nove possuem o mesmo ângulo, o que pode ser
comprovado durante a análise dos dados históricos da empilhadeira. Anteriormente ao uso do
DataLink, uma planilha foi feita com os prováveis valores de ângulo referentes a cada
cordão, baseado na trigonometria. Sabe-se que a lança da empilhadeira possui 35 metros, e, de
acordo com Oliveira (2006), o centro dos cordões são espaçados entre si igualmente e que
tanto o pátio 1 quanto o pátio 2 possuem 650 metros de comprimento e 35 metros de largura.
Sendo assim, para que a empilhadeira não jogue minério fora do pátio, o ângulo do primeiro
cordão deve ser em torno de 14 graus e o segundo em torno de 61 graus. A partir destes
dados, é possível encontrar os valores dos outros cordões.
FIGURA 3.2 – Disposição dos dez cordões de uma pilha
Fonte: MOURA, 2008
Fazendo uma comparação entre os dados coletados do DataLink e da análise trigonométrica
observa-se que os valores são praticamente os mesmos, conforme a tabela 3.1, validando
assim os ângulos para uso na programação da automatização da empilhadeira. O estudo
acerca da determinação do ângulo não levou em consideração apenas o arranjo trigonométrico
dos cordões uma vez que há fatores externos que interferem no ângulo necessário, como a
velocidade da correia transportadora e a vazão de minério na ponta da lança.
35
Tabela 3.1 – Ângulos de repouso dinâmico da lança da empilhadeira por cordão
Cordão
Trigonometria
PI Datalink
1
14
14
2
61
61
3e8
36
36
4e9
50
50
5
27
26
6
55
54
7 e 10
43
43
1.7.1.2 Determinação da quantidade de minério por cordão
Para a determinação da quantidade de minério a ser depositada de acordo com o cordão sendo
feito também foi utilizado o PI DataLink, acrescentando a tag referente a tonelada de minério
totalizada na correia transportadora da empilhadeira: CE_TC3048_WQI1. Não há diferença
na nomenclatura entre as tags de massa e de ângulo, sendo assim WQI1 é referente à
indicação de massa totalizada e TC3048 é referente à sigla do equipamento (TC = correia
transportadora) e seu número de identificação.
O período de análise foi de 22 de maio de 2010 até 27 de junho de 2010, e foi feita
observando a diferença entre a massa totalizada durante o mesmo ângulo. Para a análise de
tonelada foi utilizado um intervalo de amostragem de um minuto. O intervalo de amostragem
dos dados neste caso é menor do que quando feita a determinação do ângulo referente a cada
cordão porque é necessária uma maior precisão, uma vez que a mudança de tonelada
registrada pela tag CE_TC3048_WQI1 é mais sutil do que a mudança de ângulo.
CE_TC3048_WQI1 é uma tag do tipo totalizador, ou seja, desde sua criação ele soma as
toneladas passadas por esta correia transportadora, independente de paradas na produção.
Sendo assim, calcula-se a massa depositada por cordão subtraindo a massa totalizada pela tag
no último horário gravado do ângulo de análise com a massa totalizada no primeiro horário
gravado do mesmo ângulo, como mostra a tabela 3.2.
36
Subtraindo a massa totalizada no fim do cordão 6 com a massa do começo do mesmo se tem a
massa equivalente durante os 30 minutos de formação do cordão, 2447 toneladas. Esta pilha
possuía 75 metros, o que significa em média 31 toneladas por metro de cordão formado. Este
valor foi estudado levando em consideração as formações de cordões no período de 22 de
maio de 2010 até 27 de junho de 2010, pois a quantidade de minério a ser depositada por
cordão será determinada, durante a programação, multiplicando a média encontrada durante
esta análise pelo tamanho da pilha, definido pelo operador na IHM.
Tabela 3.2 – Determinação da tonelada via PI DataLink
37
1.8
PLC
Segundo Antonelli (1998), o PLC, ou em português, CLP – Controlador Lógico Programável
surgiu na indústria automobilística devido à grande dificuldade encontrada em mudar a lógica
de controle dos painéis de comando a cada mudança de linha de montagem. Este controle era
feito por painéis de relés e, neste caso, os sinais acoplados ao equipamento a ser automatizado
acionavam circuitos lógicos aos relés, que disparavam as cargas e atuadores.
Com o avanço da eletrônica, as unidades de memória ganharam maior capacidade e com isso
foi possível armazenar todas as informações necessárias para controlar diversas etapas do
processo. Por causa deste avanço, os circuitos lógicos tornaram-se mais rápidos, compactos e
capazes de receber mais informações de entrada, atuando sobre um número maior de
dispositivos de saída. Isto levou ao surgimento dos microcontroladores, dispositivos
responsáveis por receber informações das entradas, associá-las às informações contidas na
memória e a partir destas desenvolver uma lógica para acionar as saídas.
A evolução deste dispositivo levou aos sistemas compactos, com alta capacidade de controle,
que permitem acionar diversas saídas em função de vários sinais de entradas combinados
logicamente. Além das evoluções já citadas, é relevante mencionar o fato da lógica destes
sistemas compactos ter sido começada a ser desenvolvida através de software, que determina
ao controlador a sequência de acionamento a ser desenvolvida. Este tipo de alteração da
lógica de controle caracteriza um sistema flexível. Os PLC's são equipamentos eletrônicos de
controle que atuam a partir desta filosofia. (PINTO, 2008)
Algumas vantagens citadas por Silva (2006) a respeito dos controladores lógico programáveis
são:
a)
Facilidade de diagnóstico durante o projeto;
b) Economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido;
c)
Podem ser programados sem interromper o processo produtivo;
d) Possibilidade de criar um banco de armazenamento de programas;
e)
Baixo consumo de energia;
f)
Necessita de uma reduzida equipe de manutenção;
g) Possui a flexibilidade para expansão do número de entradas e saídas;
h) Capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos.
38
O uso de um PLC para a automatização do equipamento requer sete passos indispensáveis,
apresentados na figura 3.3. A definição dos tipos de entradas e saída é feita ainda na fase
inicial do projeto, e fundamental para a programação do programa que irá fazer com que a
empilhadeira opere, completamente, em automático. Esta programação foi feita utilizando a
linguagem de diagrama de blocos funcionais e terá sua lógica detalhada no capítulo 4.
FIGURA 3.3 – Passos para a automação de um equipamento com PLCs
Fonte: ANTONELLI, 1998
O PLC é constituído de uma CPU, módulos de entrada e saída, uma fonte de alimentação e
um rack, que serve de base para o dispositivo. Esta é a composição básica de um controlador
lógico programável, e pouco difere entre os diversos fabricantes de PLC, conforme visto na
figura 3.4.
39
FIGURA 3.4 – Aspecto físico de um PLC
Fonte: SOUSA, 2002
De acordo com Nakaygawa (2009), a CPU é responsável pelo funcionamento lógico de todos
os circuitos e compreende o processador, o sistema de memória ROM e RAM, e os circuitos
auxiliares de controle. O processador interage de forma contínua com o sistema de memória,
analisa e executa o programa de aplicação desenvolvido pelo usuário, e gerencia todo o
sistema. Os circuitos auxiliares de controle operam sobre os barramentos de dados, de
controle e de endereços, de acordo com o que o processador requer, de forma análoga a um
sistema convencional de microprocessadores. São estes os circuitos que atuam caso ocorra
alguma falha do PLC, e seus três principais, de acordo com Antonelli (1998), são:
a)
Power on reset: Quando se energiza um equipamento eletrônico digital, não é
possível prever o estado lógico dos circuitos internos. Para que não ocorra um
acionamento indevido de uma saída, que pode causar um acidente, existe um
circuito encarregado de desligar as saídas no instante em que se energiza o
equipamento. Assim que o microprocessador assume o controle do
equipamento esse circuito é desabilitado.
b) Power down: O caso inverso ocorre quando um equipamento é subitamente
desenergizado. O conteúdo das memórias pode ser perdido. Existe um
circuito responsável por monitorar a tensão de alimentação, e em caso do
40
valor desta cair abaixo de um limite pré-determinado, o circuito é acionado
interrompendo o processamento para avisar o microprocessador e armazenar
o conteúdo das memórias em tempo hábil.
c)
Watchdog timer: Os PLC's contém uma proteção – o watchdog timer - para
garantir que o ciclo seja executado em menos de 200 ms. Se o controlador
não executar o ciclo em menos de 200 ms por algum erro de programação, ele
se desliga e reseta as saídas.
Os módulos de entrada fazem a interface entre os dispositivos de entrada, tais como: sensores,
chaves e transdutores, e a lógica de controle do PLC, ou seja, o módulo de entrada recebe um
sinal de entrada e converte em níveis adequados para serem processados pela CPU. Os módulos
de saída fazem a interface entre o processador e os dispositivos de saída, tais como: atuadores,
motores ou sinalizadores, enviando um sinal que resultante do processamento da lógica de
controle efetuada pelo programa.
Tanto os módulos de Entrada como os módulos de saída podem ser classificados como discretos
ou analógicos, sendo os discretos responsáveis pelo tratamento de sinais digitais – on/off, e os
analógicos pelo tratamento dos sinais analógicos como: tensão, corrente, nível, pressão. Cada
sinal digital referencia um bit de um determinado endereço da tabela de dados, a qual é
acessada durante a execução do programa. A tabela 3.3 mostra alguns dispositivos de entrada
e saída discretas.
Tabela 3.3 – Dispositivos de entrada e saída discretas
Dispositivos de entrada
Dispositivos de saída
Chaves seletoras
Relés de controle
Pushbottons
Solenóides
Sensores fotoelétricos
Partida de motores
Chaves fim-de-curso
Válvulas
Sensores de proximidade
Ventiladores
Sensores de nível
Alarmes
Contatos de partida
Lâmpadas
Contatos de relés
Sirenes
Fonte: MAASS, 2000
41
Para que o PLC consiga fazer a leitura dos sinais analógicos provenientes dos dispositivos de
entrada, é preciso convertê-los em sinais digitais. Esta conversão é feita pelos módulos
analógicos de entrada, através de um conversor A/D (analógico-digital), disponibilizando-os
adequadamente ao barramento da CPU. Como o PLC só processa sinais digitais, o módulo
analógico de saída precisa utilizar um conversor D/A (digital-analógico) para enviar aos
dispositivos de saída o valor real da variável analógica em questão, ou seja, um valor binário é
convertido em um valor numérico. Na tabela 3.4 têm-se alguns dispositivos de entrada e saída
numéricas.
Tabela 3.4 – Dispositivos de entrada e saída numéricas
Entradas analógicas
Saídas analógicas
Transdutores de tensão e corrente
Válvula analógica
Transdutores de temperatura
Acionadores de motores CC
Transdutores de pressão
Controladores de potência
Transdutores de fluxo
Atuadores analógicos
Potenciômetros
Medidores analógicos
Entradas multibits
Saídas multibits
Chave thumbwhell
Acionamento de motor de passo
Encoder absoluto
Display de sete segmentos
Encoder incremental
Display alfanuméricos
Fonte: MAASS, 2000
Uma informação importante a respeito das entradas analógicas é a sua resolução. Esta é
normalmente medida em bits. Uma entrada analógica com um maior número de bits permite
uma melhor representação da grandeza analógica. Por exemplo: Uma placa de entrada
analógica de 0 á 10 VCC com uma resolução de 8 bits permite uma sensibilidade de 39,2 mV,
enquanto que a mesma faixa em uma entrada de 12 bits permite uma sensibilidade de 2,4 mV
e uma de 16 bits permite uma sensibilidade de 0,2 mV (ANTONELLI, 1998).
A fonte de alimentação é responsável por converter a rede elétrica de 127 ou 220 VCA, para a
tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos que é +5 VCC para microprocessador,
memórias e circuitos auxiliares e +12 VCC para a comunicação com o programador ou
computador, manter a carga da bateria nos sistemas que utilizam relógio em tempo real e
memória do tipo RAM e fornecer tensão para as Entradas e Saídas de 12 ou 24 VCC.
42
A base de um PLC, ou rack, é responsável pela sustentação mecânica de todos os
componentes que constituem o controlador. Nela encontra-se o barramento que faz a conexão
elétrica entre os componentes, no qual fazem parte os sinais de dados, endereço e controle que
são necessários para a comunicação entre a CPU e os módulos de entrada e saída, além dos
níveis de tensão fornecidos pela fonte de alimentação.
1.8.1 Princípio de funcionamento de um PLC
De acordo com Antonelli (1998), assim que é ligado, o PLC executa uma série de operações
pré-programadas, gravadas em seu programa, como a verificação do funcionamento
eletrônico da CPU, memórias e circuitos auxiliares; verificação da configuração interna e
comparação com os circuitos instalados; verificação do estado das chaves principais;
desativação de todas as saídas; verificação da existência de um programa de usuário; e
emissão de um aviso de erro caso algum dos itens acima falhe.
Caso não haja falha em nenhum dos itens descritos anteriormente, o PLC faz a leitura dos
estados de cada uma das entradas, verificando se alguma foi acionada. Este processo de
leitura recebe o nome de ciclo de varredura, em inglês, scan, e demora apenas alguns
microsegundos para ser feita completamente. Após o ciclo de varreduras, mostrado na figura
3.5, o PLC armazena os resultados obtidos em uma região de memória chamada de memória
imagem das entradas e saídas. Esta região recebe essa nomenclatura por ser um espelho do
estado das entradas e saídas, e será consultada pelo PLC no decorrer do processamento do
programa do usuário.
Após consultar a memória imagem das entradas, o PLC executa o programa do usuário e
atualiza o estado da memória imagem das saídas, levando em consideração as instruções
definidas pelo programador. O PLC escreve o valor contido na memória das saídas,
atualizando as interfaces ou módulos de saída. Inicia-se, então, um novo ciclo de varredura,
até que o PLC seja desligado.
43
FIGURA 3.5 – Princípio de funcionamento de um PLC
Fonte: ANTONELLI, 1998
1.8.2 Linguagens de Programação
Os PLC's, assim como os computadores, necessitam de um programa para seu funcionamento.
Como sabemos, um programa é uma lista de instruções que coordenam e sequenciam as
operações que o microprocessador deve executar. Qualquer programa requer uma linguagem
de programação através da qual o usuário pode se comunicar com a máquina. As diversas
linguagens de programação são classificadas em linguagem de baixo nível e linguagem de
alto nível (OLIVEIRA e JÚNIOR, 2000).
O primeiro tipo de linguagem a ser utilizada para programação de PLC foi a linguagem de
baixo nível, que corresponde àquela cujas instruções são escritas em código binário para que o
microprocessador possa interpretar. Os programas escritos em código binário são difíceis de
serem interpretados e manipulados, portanto passou a ser utilizada a linguagem de máquina,
que utiliza o código hexadecimal para escrever os programas. Um codificador entre o teclado
e o microprocessador traduz o código hexadecimal para o binário correspondente.
O segundo tipo de linguagem, e o utilizado atualmente, é chamada de linguagem de alto nível,
e se aproxima da linguagem utilizada pelo homem, facilitando seu entendimento e
44
manipulação. Nessa linguagem, o computador usa compiladores que traduzem as instruções
de um programa para a linguagem de máquina. As instruções dos programas são direcionadas
para área onde vai ser aplicada.
Porém, não há uma linguagem padrão de programação, o que fez com que fosse criado um
comitê da IEC (International Electrotechnical Commission) para evitar problemas nas
implementações de programas desenvolvidos por fabricantes diferentes. De acordo com
Nakaygawa (2009), este comitê tinha como objetivo analisar o projeto completo de PLC's,
inclusive hardware, instalação, testes, documentação, programação e comunicações. Com
isso foi criada a norma internacional IEC 61131-3 que define os pontos de intertravamento de
sistemas sequenciais, objetivando a visibilidade, equipamentos, manuais, linguagens de
programação e sistemas de comunicação.
A norma IEC 61131-3 padronizou cinco linguagens de programação, sendo duas textuais e
três gráficas, que hoje em dia são utilizadas por quase todos os controladores lógicos
programáveis, independente do fabricante. As normas padronizadas são:
a)
IL (instruction list ou lista de instruções): Linguagem de baixo nível,
semelhante à assembler, textual com apenas uma operação por linha.
Apresenta alta eficiência em pequenas aplicações ou para melhorar partes de
uma aplicação mais complexa.
b) ST (structured text ou texto estruturado): Linguagem de alto nível,
semelhante ao Pascal, textual e que incorpora vários conceitos intuitivos. É
eficiente em implementações complexas, onde é difícil expressar com
linguagem gráfica, como linguagem de algoritimos de otimização e
inteligência artificial.
c)
LD (Ladder diagram ou diagrama Ladder): Linguagem gráfica que mimetiza
uma escada, na qual duas barras verticais paralelas são interligadas pela
lógica de controle. É baseada em símbolos e esquemas elétricos como relês,
bobinas e contatos.
d) FBD (Function block diagram ou diagrama de blocos de função): Linguagem
gráfica que permite procedimentos combinacionais complexos através dos
blocos-padrão como AND, OR, NOT, entre outros.
45
e)
SFC (sequential function chart ou diagrama funcional sequencial): Divide o
processo em um numero definido de passos separados por transição. Também
é conhecida como Grafcet.
A escolha da linguagem a ser utilizada depende do tipo de controle a ser feito, da aplicação
desejável, e da flexibilidade necessária. A figura 3.6 mostra os diferentes tipos de linguagem e
suas principais características.
FIGURA 3.6 – Linguagens de programacão de PLC
Fonte: ATAN, 1999
A linguagem escolhida para desenvolver a programação de automatização da empilhadeira
3049 foi a FBD, Diagrama de Blocos Funcionais, que é uma linguagem baseada nos
diagramas de circuitos, mais visual do que a Ladder, sendo mais fácil de interpretar a
programação feita. É adequada para controle discreto, sequencial e regulatório, utilizando
blocos que escondem o algoritmo, disparados por parâmetros externos. Alguns dos blocos de
instruções mais utilizados no decorrer do programa serão detalhados a seguir, explicando o
algoritmo envolvido (ATAN, 1999).
46
1.8.3 Blocos de instruções
Para a manipulação das variáveis, são utilizados diversos blocos de instruções que permitem
que seja feita a sequência de ações da empilhadeira. Conforme dito por Silva (2006), é
importante ter em mente que a linguagem FBD possui diversas funções pré-estabelecidas em
seus blocos lógicos, cujos símbolos são padronizados. Cada símbolo significa o efeito do
bloco no contexto do programa. Podem, ainda, ser divididos em quatro principais listas:
conectores, como as variáveis de entrada e saída; funções gerais, como os blocos lógicos
AND e OR; funções especiais, como os relés; e número de blocos, que contém uma lista com
os blocos já utilizados no circuito, podendo ser utilizados posteriormente, como entradas em
blocos novos, por exemplo.
A lista de funções gerais é uma das mais utilizadas durante a programação da empilhadeira,
fazendo a ligação entre as condições para determinadas execuções. Em uma programação
lógica, a representação que melhor se aplica ao entendimento das funções é a tabela verdade,
que consiste na representação de todas as combinações lógicas possíveis entre as entradas e
saídas. A relação entre o número de linhas de uma tabela e o número de entradas é de 2
elevado a "n", onde "n" é o número de entradas.
Em um programa, é bastante usual a combinação entre variáveis para ativar, ou não, uma
saída como, por exemplo, somente permitir o giro da lança da empilhadeira quando chega-se
ao final de um cordão ou quando o operador pressiona o botão exigindo o término precoce do
cordão. O fim do cordão e o botão são duas variáveis de entrada neste caso, e são unidas por
um bloco lógico que permite que a saída seja acionada quando qualquer uma das entradas
esteja em nível lógico um.
Além dos blocos lógicos, utiliza-se em grande escala os blocos chamados de biestáveis,
temporizadores e detectores de bordas. Alguns destes blocos que referem às condições para a
ativação de uma determinada saída são mostrados a seguir.
1.8.3.1 AND
Segundo Atan (2005), o bloco de instrução AND possui um mínimo de duas entradas e
apenas uma saída. Para que a saída seja ativada, seja ela booleana, byte ou word, é necessário
47
que todas as entradas estejam com o valor 1. A função realiza uma comparação entre cada bit
de cada uma das palavras de entrada, e atribui o resultado na saída. A tabela verdade de uma
função AND está representada pela tabela 3.5, sendo A e B duas entradas do bloco e S a sua
saída.
Tabela 3.5 – Tabela verdade AND
A
B
S
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
A figura 3.7 mostra o bloco AND, junto com os possíveis tipos de variáveis de entrada e
saída. Esta é uma função de multiplicação entre os valores de entrada.
FIGURA 3.7 - AND
Fonte: ATAN, 2005
1.8.3.2 OR
O bloco de instrução OR, juntamente com o AND, é um dos mais utilizados em uma
programação. Isto ocorre pelo fato de também permitir situações de permissão para que uma
saída seja ativada, o que ocorre quando pelo menos uma de suas variáveis de entrada esteja
ativada. Este bloco requer um mínimo de duas entradas e possui apenas uma saída. Também
permite variáveis do tipo booleana, byte e word, devendo ser do mesmo tipo tanto as entradas
quanto a saída, mostrada na figura 3.8. A tabela verdade de uma função OR está representada
pela tabela 3.6, sendo A e B duas entradas do bloco e S a sua saída. Esta é uma função de
soma entre os valores de entrada (ATAN, 2005)
48
Tabela 3.6 – Tabela verdade OR
A
B
S
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
FIGURA 3.8 – OR
Fonte: ATAN, 2005
1.8.3.3 RS
De acordo com Santos (2009), há, também, blocos do tipo biestáveis, que possuem a função
de ativar, ou não, a variável de saída, dependendo da entrada que for ligada (set ou reset). A
primeira vez que a função é executada, o valor da saída é posto em zero. Ao se ligar a entrada
set, o valor da saída é colocado em nível 1, e se mantendo assim mesmo que a entrada set seja
desligada. Para comutar a variável de saída novamente para zero, a entrada reset deve ser
acionada. Caso ambas as entradas forem atuadas, o bloco RS dará prioridade ao desligamento
da saída, visando a segurança do processo. A figura 3.9 mostra a representação gráfica de um
bloco do tipo RS.
FIGURA 3.9 – Bloco biestável RS
Fonte: SANTOS, 2009
49
1.8.3.4 TON
Os temporizadores são utilizados em praticamente todas as aplicações de sistemas
automatizados com PLC. Um dos tipos de temporizador é o temporizador de atraso na subida,
que faz com que, no momento que a entrada é ativada, comece a contar o tempo especificado
na entrada PT para que, ao término da contagem, a saída seja ativada. A saída é desativada no
momento que a entrada também o é. Caso a entrada seja colocada em nível 1 por um tempo
inferior ao determinado na entrada PT, a saída não é ativada. O bloco TON é mostrado na
figura 3.10.
FIGURA 3.10 – Temporizador TON
Fonte: SANTOS, 2009
1.8.3.5 TOF
O TOF, ou temporizador de atraso na descida, atua de maneira diferente do TON. Quando a
entrada vai para nível 1, a saída também vai, imediatamente, e permanece assim enquanto a
entrada não é desativada. Quando a entrada cai, a saída ainda continua ativa durante o tempo
determinado na entrada PT. Caso a entrada IN seja recolocada em nível alto antes do tempo
especificado em PT acabar, a saída não chega a desligar. A figura 3.11 mostra o bloco TOF
(SANTOS, 2009).
FIGURA 3.11 – Temporizador TOF
Fonte: SANTOS, 2009
50
1.8.3.6 R_TRIG e F_TRIG
Os blocos R_TRIG e F_TRIG são chamados de blocos de detecção de borda, e realizam a
constante monitoração do estado da entrada, a fim de detectar o exato momento em que a
mesma transita de 0 para 1, no caso do bloco R_TRIG (Rising Edge Trigger), ou de 1 para 0,
no caso do bloco F_TRIG (Falling Edge Trigger). Em ambos os casos esta função irá ligar a
saída por apenas um intervalo do ciclo de varredura a fim de sinalizar a ocorrência da borda.
A figura 3.12 mostra o diagrama de blocos desta função (SANTOS, 2009).
FIGURA 3.12 – R_TRIG e F_TRIG
Fonte: SANTOS, 2009
Estes blocos, assim como os outros necessários durante a programação, foram utilizados no
programa Concept, o software no qual se desenvolve os programas dos PLC's da Schneider.
1.8.4 Concept
O software utilizado para fazer a programação do PLC foi o Concept. O Concept é um
programa desenvolvido pela Schneider Electric para editar programas de aplicação dos PLCs
das famílias Atrium, Compact, Momentum e Quantum. O PLC utilizado para a programação
da escavadeira é da família Quantum, porém, a maioria dos passos da programação do
Concept, especialmente o da criação do programa, são realizados independente do PLC a ser
programado (ATAN, 2005).
51
O passo inicial para a criação de um novo projeto é a configuração do PLC que será lido pelo
programa. Este processo se inicia pela seleção do PLC, informando a família do PLC, o
modelo da CPU a ser utilizada, o tamanho da memória da mesma, define se a CPU poderá
utilizar programas tipo IEC e a quantidade de memória destinada a tais programas.
O programa é dividido em seções e a interface gráfica destas seções pode ser feita através das
seguintes linguagens: Texto Estruturado (ST), Lista de Instruções (IL), Diagrama de Blocos
Funcionais (FBD), Diagrama Ladder (LD), Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC) e
Ladder Logic 984 (LL984). Duas seções do mesmo programa não necessitam estar escritos na
mesma linguagem, mas dentro da mesma seção só é possível ter uma. Apenas a linguagem
FDB foi utilizada durante a programação da empilhadeira.
O projeto é subdividido em grupos e seções. Um projeto reúne diversos grupos, que por sua
vez reúne várias seções. A linguagem a ser utilizada em cada seção é escolhida durante a sua
criação, e não há limite para a criação de seções. O projeto foi nomeado de EM3049, e
dividido em dez seções, cada uma referente a uma programação de uma parte específica,
como a comunicação entre o PLC da programação da empilhadeira, o EM3049, e o PLC onde
ficam registradas as informações coletadas referentes à empilhadeira, o CP394001; o
escalonamento; a correia transportadora da empilhadeira, TC3048; o giro da lança da
máquina; a elevação da lança; a lubrificação do equipamento; a sequência automática de
operação da empilhadeira; o enrolador do cabo de tensão da empilhadeira; a locomoção do
stacker pelo pátio de estoque e uma seção geral da empilhadeira. A figura 3.13 mostra essas
seções feitas no Concept.
52
FIGURA 3.13 – Projeto da empilhadeira no Concept
Para ser possível a programação, é necessário definir as variáveis, o que é feito no Editor de
Variáveis, como mostra a figura 3.14. Além das variáveis, existem também os literais e as
constantes.
FIGURA 3.14 – Editor de variáveis
53
Se a variável deve ser atribuída a um endereço de RAM, é chamada de variável alocada. O
valor desta variável é salvo na RAM e pode ser mudado online. Todas as entradas e saídas do
PLC são conectadas à RAM. O programa pode somente ter acesso a sinais periféricos unidos
ao PLC via tais variáveis. Estas variáveis podem ser referenciadas usando-se seus nomes
simbólicos ou usando-se seus endereços de referência.
Quando a variável não necessita de um endereço atribuído, é conhecida como variável não
alocada O valor desta variável é salvo internamente no sistema e pode ser mudado online.
Estas variáveis somente são acessadas usando seus nomes simbólicos. Sinais que não
requerem nenhum acesso periférico devem, primeiramente, ser declarados como variáveis não
alocadas, para evitar uso desnecessário de memória (ATAN, 2005).
O último tipo de variável é a variável multi-elementos, que corresponde aquela a qual está
atribuída uma estrutura de várias variáveis. Pode ser do tipo Estrutura ou Array e não foi
utilizada no programa em questão.
As variáveis e os blocos de instruções permitem a criação do programa responsável pela
automatização da empilhadeira, como a sequencia de passos a serem realizados, os
intertravamentos e lógicas de permissão para a execução de uma determinada ação. A
programação desenvolvida para a sequência automática da empilhadeira é mostrada no
próximo capítulo.
54
PROGRAMAÇÃO DO PLC
Conforme visto no capítulo anterior, o primeiro passo para a programação de um PLC é a
criação de um projeto no software de desenvolvimento, neste caso o Concept. Após a criação
do projeto, define-se a linguagem a ser utilizada e as variáveis necessárias. Ao término da
programação, é feita a passagem do programa para a CPU do PLC, e testes são realizados
para a verificação do funcionamento do programa, assim como possíveis falhas e ajustes a
serem feitos. Estes passos são descritos na figura 4.1.
FIGURA 4.1 – Etapas para a programação de um PLC
Fonte: ANTONELLI, 1998
O projeto da EM3049 já existia, pois mesmo o processo sendo executado em manual, é feito o
monitoramento de suas atividades através de sensores e enviando dados relevantes para o
banco de dados da Vale. Assim, bastou criar um grupo onde ficará as seções responsáveis pela
automatização da empilhadeira e suas atividades. Estes grupos e seções são dispostos em uma
interface gráfica denominada browser, que parece com a estruturação de pastas em um HD de
computador, e podem ser mudados de posição no decorrer do projeto. Porém, deve-se levar
em consideração o fato desta mudança alterar a ordem de execução da lógica de controle
(TEIXEIRA, 2005).
55
Conforme visto na figura 4.2, o nome dado ao grupo foi SEQ_AUTOMATICA e contêm dez
seções diretas e dois subgrupos, um que comporta as possíveis falhas de sensores presentes na
empilhadeira e as ações a serem tomadas caso tais falhas ocorram, e os parâmetros enviados
para a IHM localizada na cabine do stacker, para que o operador possa monitorar e interferir
no processo caso haja necessidade. Esta divisão em seções e grupos facilita a identificação
dos vários equipamentos existentes na empilhadeira.
FIGURA 4.2 – Grupos e seções do projeto EM3049
A seguir, serão mostradas, em três momentos, as programações feitas e presentes em cada
uma das seções do projeto. Em um primeiro momento serão mostradas as programações e
definições de parâmetros gerais ao programa, como a escolha dos valores do ângulo de
56
formação da cada cordão. Em seguida serão apresentados os passos, em sequencia, para o
empilhamento em automático de minérios, começando pelo ligamento da empilhadeira. Por
fim serão apresentadas as situações que ocasionam na parada não programada da
empilhadeira, como o defeito no encoder de locomoção da mesma. Todas as seções foram
programadas utilizando a linguagem de diagrama de blocos funcionais.
1.9
Parâmetros e acionamentos gerais da empilhadeira
Conforme dito anteriormente, serão aqui apresentadas as lógicas gerais ao programa, até o
momento que a empilhadeira está pronta para a execução da suas tarefas em automático. Será
discutido, também, situações que não possuem um determinado momento para acontecer,
como a mudança em um grau do ângulo de repouso dinâmico da empilhadeira, ou seja,
interferências realizadas pelo operador, mas que não ocasionam na parada da empilhadeira.
São seis as lógicas gerais do projeto: condições necessárias que permitem a empilhadeira
rodar em automático; parâmetros de pátio definidos na IHM; definição dos ângulos referentes
a cada cordão; acréscimo ou descréscimo de um grau no giro da lança, feito pelo operador
através da IHM; verificação da presença de material na correia transportadora 3048; e
monitoramento da tonelada a ser depositada por cordão para a indicação do término do
mesmo.
1.9.1 Condições para a empilhadeira rodar em automático
Algumas condições se fazem necessárias para que a empilhadeira seja capaz de rodar em
automático, garantindo que todos os sistemas estejam disponíveis para a execução, o que evita
acidentes. Portanto, é necessário saber em qual estado se encontra a empilhadeira e seus
sistemas, sendo três os principais estados definidos: manual/automático; pronto para partir; e
defeito. Para definir qual o estado que a empilhadeira se encontra no momento, é preciso uma
combinação de situações entre seus sistemas, como a locomoção da empilhadeira e o giro da
mesma.
A empilhadeira só será considerada em estado automático se todos os seus sistemas estiverem
em automático, bem como a chave existente na cabine da empilhadeira que seleciona o estado
da empilhadeira desejado pelo operador. A figura 4.3 mostra as variáveis de condição unidas
57
por um bloco AND e a sua saída, AUT_EM3049_XMA. Quando a variável de saída esta com
o valor 0, ou seja, pelo menos alguma das condições não está ativada, a empilhadeira
encontra-se em manual. Caso contrário, ela está em automático.
FIGURA 4.3 – Estado manual/automático
O estado "pronto para partir" da empilhadeira corresponde ao fato de não haver, naquele
momento, nenhum sistema com algum intertravamento ou qualquer outro motivo que o
impeça de funcionar. Em relação à empilhadeira, os sistemas que devem estar aptos a
funcionar para que a empilhadeira seja considerada apta, também, são: locomoção; giro;
correia transportadora; freio do giro; e freio da locomoção. Estas variáveis são entradas de um
bloco AND, conforme visto na figura 4.4, e juntas ativam a saída responsável pela autorização
de funcionamento da empilhadeira, AUT_EM3049_EPPP.
FIGURA 4.4 – Estado pronto para partir
O estado de defeito da empilhadeira difere dos outros estados, pois basta um sistema estar em
defeito para que o stacker seja considerado nesta situação também, por isso estão unidos em
um bloco OR, ao invés de um AND, visto na figura 4.5. Os sistemas responsáveis pela
situação de defeito são: locomoção; giro; correia transportadora; enrolamento do cabo de
tensão; freio do giro; e freio de locomoção.
58
FIGURA 4.5 – Estado defeito
1.9.2 Determinação de parâmetros na IHM
O primeiro passo anterior à execução da empilhadeira em automático é a definição de alguns
parâmetros na IHM, localizada na cabine do operador. São quatro os parâmetros a serem
definidos pelo operador: o pátio a ser estocado; a quantidade de cordões a serem formados por
pilha; a posição referente ao início e final da pilha; e em qual cordão será dado o início da
sequência.
Cada parâmetro possui algumas variáveis referentes, diferenciando-se em relação ao número
de pátios e número de sequências de cordões que podem ser feitos. Durante a programação,
fez-se referência ao pátio 1 como o pátio de estoque de itabirito, e o pátio 2 para estoque de
hematita. As variáveis são:
a)
AUT_CMD_SELECIONA_PATIO1: seleção do pátio 1;
b) AUT_CMD_SELECIONA_PATIO2: seleção do pátio 2;
c)
AUT_CMD_EM3049_10COR: seleção de 10 cordões;
d) AUT_CMD_EM3049_7COR: seleção de 7 cordões;
e)
AUT_CMD_EM3049_5COR: seleção de 5 cordões;
f)
AUT_CMD_EM3049_3COR: seleção de 3 cordões;
g) AUT_SELPOSICAO_INICIO_PILHA_1: posição referente ao início da
pilha;
h) AUT_SELPOSICAO_FIM_PILHA_1: posição referente ao fim da pilha;
i)
AUT_EM3049_NUM_CORD: número do primeiro cordão a ser feito em
automático.
Cada variável proveniente da IHM é movida para um novo endereço, no PLC EM3049, para
que possa ser utilizada nas lógicas a seguir, sendo a nova variável uma auxiliar. Esta
59
movimentação é feita utilizando um bloco MOVE; um RS para acionar a nova variável e,
quando necessário, desativá-la; e um OR para unir as condições de reset da variável auxiliar.
A lógica de movimentação da variável de seleção de dez cordões pode ser vista na figura 4.6,
assim como a lógica de seleção do pátio encontra-se na figura 4.7.
FIGURA 4.6 – Movimentação da variável seleção de cordão da IHM para o EM3049
FIGURA 4.7 – Movimentação da variável de seleção de pátio da IHM para o EM3049.
As variáveis que comportam a posição de inicio e fim da pilha não possuem restrições para
serem movidas para um endereço na EM3049, sendo assim utilizam apenas um bloco MOVE,
como pode ser visto na figura 4.8.
FIGURA 4.8 – Movimentação de posição da pilha da IHM para o EM3049
A variável de indicação do cordão a ser iniciada a sequencia é utilizada de uma forma
diferente das outras. O acionamento da empilhadeira em automático pode ser feito desejandose a formação da pilha desde o primeiro cordão ou, por algum motivo, começando de um
60
outro cordão. Quando o operador seleciona na IHM um valor maior do que 0 para o cordão a
ser feito logo após o acionamento da sequencia em automático, quer dizer que a empilhadeira
já está formando algum cordão no modo manual e a mudança para o modo automático será no
meio dessa formação da pilha. Neste caso, a variável AUT_EM3049_NUM_CORD recebe os
valores de 1 até 10. Por outro lado, quando a empilhadeira for começar a formar a pilha desde
o início em automático, a variável recebe o valor 0. Para fazer a separação entre a etapa de
posicionamento da empilhadeira para começar no primeiro cordão e o começo nos cordões
seguintes, utiliza-se um bloco GT_INT, que ativa a sua saída, AUT_EM3049_XCOR, se a
entrada for maior do que zero, e desativa a saída se a variável de entrada for igual a zero,
conforme é mostrado na figura 4.9.
FIGURA 4.9 – Determinação do modo de início da sequencia de cordões
Cada informação proveniente da IHM é referente a um bit de uma word de 16 bits. Além das
nove informações já listadas, tem-se também o botão de adição de um grau no ângulo de
repouso dinâmico, AUT_CORR_GIRO_HOR; botão de diminuição de um grau no ângulo de
repouso dinâmico, AUT_CORR_GIRO_ANTHOR; comando para resetar os parâmetros já
definidos, AUT_CMD_LIMPA_PARAMETROS; botão de fim do cordão, acionado quando
se deseja terminar o cordão antes do previsto, AUT_EM3049_FIM_CORDÃO; comando
manual, EM_EM3049_CMANU; comando automático, EM_EM3049_CAUTO; botão liga
empilhadeira,
AUT_CMD_LIGA_EMPILHAMENTO;
botão
desliga
empilhadeira,
AUT_CMD_DESLIGA_EMPILHAMENTO; botão de estado remoto, EM_EM3049_CLOC;
e botão de estado local, EM_EM3049_CREM.
Algumas destas variáveis serão vistas nas programações seguintes, e melhor explicadas. A
figura 4.10 mostra a conversão da word proveniente da IHM em 16 diferentes variáveis, e
suas respectivas nomenclaturas.
61
FIGURA 4.10 – Separação word to bit das variáveis da IHM
62
1.9.3 Parâmetros dos ângulos por cordão
Conforme visto no capítulo anterior, cada cordão a ser feito, independente do produto a ser
estocado, possui um ângulo pré-definido de empilhamento. Esses valores são gravados em
variáveis não alocadas auxiliares para serem utilizados em etapas da programação, como a
visualização do cordão sendo feito no momento, ou referência para a empilhadeira saber para
qual ângulo deve seguir após terminar um cordão e começar outro. Essa variável não alocada
recebe o nome de AUX_PARAM_ANGULO_aCORDAO, ao se tratar do empilhamento de
itabirito, e AUX_PARAM_ANGULO_HEM_aCORDAO, quando referente à hematita. Em
ambos os casos, "a" equivale o número do cordão correspondente.
Com os ângulos já definidos, faz-se então a gravação de seus valores em suas respectivas
variáveis, como mostra a figura 4.11, para os cordões feitos no pátio1, de estoque de itabirito,
e na figura 4.12, para os cordões feitos no pátio 2, de estoque de hematita.
FIGURA 4.11 – Parâmetros dos ângulos dos cordões de itabirito
63
FIGURA 4.12 – Parâmetros dos ângulos dos cordões de hematita
A variável AUT_PAR_ANGULO_GIRO é a responsável por receber o valor do ângulo
corrente que a empilhadeira deve assumir. Em conjunto com esta variável tem-se a
AUT_EM3049_10COR_PATIO1_EPASS1, por exemplo, que faz com que o valor prédefinido do ângulo referente ao grau do primeiro cordão seja enviado para a variável
AUT_PAR_ANGULO_GIRO. Como pode ser visto, a variável que ativa o envio do valor
registrado do ângulo de cada cordão possui em sua nomenclatura uma referência a quantos
cordões serão feitos e em qual pátio está sendo feio o estoque. O final da variável, "EPASS"
refere-se ao tipo de acionamento que será feito pela empilhadeira. Os números ímpares
correspondem ao acionamento do giro da lança, e os números pares à locomoção da
empilhadeira. A tabela 4.1 mostra o valor de "EPASS" relacionando o cordão e o tipo de
acionamento.
64
Tabela 4.1 – Valor de "EPASS" de acordo com o cordão e acionamento requerido
Cordão
Giro
Locomoção
1
EPASS1
EPASS2
2
EPASS3
EPASS4
3
EPASS5
EPASS6
4
EPASS7
EPASS8
5
EPASS9
EPASS10
6
EPASS11
EPASS12
7
EPASS13
EPASS14
8
EPASS15
EPASS16
9
EPASS17
EPASS18
10
EPASS19
EPASS20
Assim, pode-se inferir que não é possível mais do que uma variável do mesmo tipo de
acionamento estar ativada ao mesmo tempo. Quando uma dessas variáveis é acionada, um
bloco do tipo R_TRIG é ativado e, por conseguinte, ativa o bloco MOVE que faz a
transferência do valor gravado na variável auxiliar referente ao ângulo em que se encontra a
lança da empilhadeira, para a variável não alocada AUT_PAR_ANGULO_GIRO, conforme
visto na figura 4.13. A figura é referente ao primeiro e segundo cordão de hematita, que
possuem as opções de formação de pilha com dez, sete, cinco ou três cordões.
FIGURA 4.13 – Gravação do valor atual de ângulo
1.9.4 Correção do ângulo em um grau
Dependendo da vazão do material na ponta da lança e de agentes externos como o vento, o
minério pode ser lançado em um local diferente do desejado. Para corrigir as interferências
65
não programadas há, na IHM, a opção de somar ou subtrair um grau no atual ângulo da
empilhadeira,
decisão
esta
tomada
pelo
operador
do
stacker.
Os
botões
AUT_CORR_GIRO_HOR e AUT_CORR_GIRO_ANTHOR servem para fazer esta alteração
no ângulo da lança, uma ação que só poderá ser feita quando a máquina estiver em
automático.
A programação feita para a correção de um grau a mais ou a menos é a mesma, mudando
apenas a variável referente ao botão de adição ou subtração. Quando a empilhadeira está em
automático e o botão de adição é pressionado, botão este representado pela variável
AUT_CORR_GIRO_HOR, é ativada a entrada do bloco ADD que soma, neste caso, dois
valores inteiros, sendo um deles a variável de ângulo corrente da empilhadeira,
POS_ATUAL_GIRO, e o literal 1. Quando pressionado o botão de diminuição de um grau no
ângulo atual da empilhadeira, representado pela variável AUT_CORR_GIRO_ANTHOR, o
bloco ativado é o SUB, que faz a subtração entre POS_ATUAL_GIRO e o literal 1, conforme
visto na figura 4.14.
FIGURA 4.14 – Mudança de um grau no ângulo da lança da empilhadeira
A saída do bloco de adição ou subtração será do tipo inteiro, portando passará por um bloco
de transformação de tipo de variável. Este passo é necessário, pois o ângulo é uma variável
real, e para utilizarmos o bloco de comparação – ou qualquer outro bloco – as duas variáveis
de entrada devem ser do mesmo tipo. Essa variável do tipo real é chamada de
AUT_REF_CORREÇAO_GIRO, refere ao novo ângulo definido pelo operador ao pressionar
um dos botões, e usada na comparação com o ângulo atual da lança. Caso o novo ângulo seja
maior que o atual, a lança é habilitada para fazer uma rotação em sentido horário, caso seja
menor, em sentido anti-horário. Se os dois ângulos forem iguais, é sinal que não foi
66
pressionado nenhum botão, o que indica que a lança está na sua posição correta, representada
na programação pela variável POSIÇAO_CORRETA_CORR_GIRO.
Para desabilitar as duas variáveis que fazem com que a lança seja movimentada no sentido
horário ou anti-horário, garantindo assim que a lança gire apenas um grau para cada vez que o
botão foi pressionado, utiliza-se um bloco do tipo reset, RS. Para cada sentido de giro existe
um bloco reset, conforme visto na figura 4.15, e possuem a mesma programação. Em sua
entrada Set, ou seja, a situação que fará com que o bloco seja ativado, está o resultado da
comparação de valores do ângulo, e em sua entrada Reset, ou seja, o que fará com que o bloco
seja desativado, está uma combinação feita através de um bloco OR entre a não habilitação de
correção do giro e a chave de opção manual/automático presente na cabine da empilhadeira,
através da variável CMD_SEL_REM, quando a mesma se encontra em opção "Manual".
FIGURA 4.15 – Novo posicionamento da lança
A variável AUT_HABILITA_CORREÇÃO_GIRO mostrada anteriormente é o que faz com
que a lança pare de girar, após acrescentar ou diminuir um grau. Quando o operador aperta
um dos botões de correção de ângulo, um bloco RS é ativado e o mesmo ocorre com a
variável AUT_HABILITA_CORREÇAO_GIRO. Porém, ela é desativada em dois momentos:
após trinta segundos que a mesma foi ativada ou quando a lança está na posição correta. Esta
situação pode ser vista na figura 4.16.
67
FIGURA 4.16 – Habilitação da mudança de ângulo
1.9.5 Verificação da presença de material na correia transportadora 3049
São utilizados dois sensores ópticos de presença para determinar se há, ou não, material sendo
transportado pela TC3048, a correia que leva o minério até a ponta da lança da empilhadeira.
Eles estão dispostos um em cada extremidade da correia, e funcionam da seguinte forma:
a)
Quando não há minério sobre a correia, a mesma se encontra em uma altura
superior ao sensor de presença, fazendo com que os sensores registrem o
valor zero;
b) Quando há minério, a correia desce e fica no nível dos sensores, registrando o
valor um.
Dependendo da quantidade de minério que se encontra na correia, pode acontecer de o sensor
não registrar a sua presença, uma vez que a mesma pode estar carregando uma quantidade
insuficiente de minério, para que desça à altura do sensor. Portanto, é preferível e até mesmo
mais seguro afirmar que, quando o sensor não está acionado, é sinal de que não há minério na
correia, do que afirmar que somente há minério na mesma quando o sensor está acionado. A
figura 4.17 mostra o sensor instalado na lateral da correia transportadora 3048.
68
FIGURA 4.17 – Sensor óptico de presença
Fonte: VIEIRA, 2010
Utiliza-se, então, a negação da variável do sensor para acionar a variável auxiliar de presença
de material, AUX_SENSOR_MAT. Os sensores são representados pelas variáveis
AUT_EM3049_SENS_MAT e AUT_EM3049_SENS_MAT2, e acionam a variável
AUX_SENSOR_MAT somente quando a TC3048 está funcionando. Assim que a variável
auxiliar é acionada, um bloco tipo TOF faz com que também seja acionada a variável real de
indicação de material. Sempre que esta variável cai, ou seja, os sensores não detectam
material na correia, um bloco do tipo TON é acionado e faz com que seja iniciada uma
contagem de três minutos. Caso os três minutos passem sem os sensores voltarem a detectar
material, é acionada a saída do bloco TON que passa por um bloco RS e faz com que a
variável auxiliar de indicação de material seja acionada, fazendo com que a empilhadeira se
desloque. O tempo deste deslocamento é determinado através de um bloco TON, que conta
doze segundos e então reseta o bloco RS.
Este deslocamento da empilhadeira durante doze segundos em uma situação na qual não há
indicação de presença de material na correia é feito, pois, as vezes, a correia transporta uma
quantidade pequena de minério que não é detectada, e continua empilhando no mesmo ponto
69
do cordão. Isso leva a uma má formação do cordão e é preferível que a empilhadeira deixe de
estocar em alguns metros do que estocar além do necessário no mesmo ponto. A figura 4.18
mostra a lógica relacionada ao sensor de presença de material.
FIGURA 4.18 – Indicação da presença de material na TC3048
1.9.6 Monitoramento da tonelada a ser depositada por cordão e indicação de término do
mesmo
Para que a empilhadeira passe automaticamente de um cordão para o outro, é necessário saber
quando um cordão chega ao fim. O primeiro passo para essa programação é determinar a
quantidade de material que será depositada no cordão. Para isso, utiliza-se os valores que uma
pilha pode possuir, como por exemplo, o tamanho máximo, 180 metros; e a massa máxima.
Este valor de massa máxima é calculado multiplicando a posição máxima com a média de
tonelada depositada por cordão, calculada anteriormente através do PI DataLink. Este valor
calculado, conforme visto no capítulo anterior, é equivalente a aproximadamente 32 toneladas
por cordão, portanto tem-se a massa máxima de 5760 toneladas por cordão. O tamanho da
pilha atual é gravado na variável AUT_TAMANHO_PILHA_1 e este valor é calculado
através de um bloco SUB, subtraindo o valor da posição final da pilha do valor inicial da
pilha, conforme a figura 4.19. Estes dois valores são definidos pelo operador da empilhadeira,
na IHM. Através de blocos de multiplicação e divisão, faz-se uma regra de três e encontra-se
a tonelada a ser empilhada, gravada na variável AUT_TONELADA_TOTAL_PILHA1,
conforme visto na figura 4.20.
70
FIGURA 4.19 – Tamanho da pilha
FIGURA 4.20 – Tonelada a ser empilhada no cordão atual
Este valor de tonelada que será empilhada é, então, comparado com a quantidade de minério
sendo transportada pela TC3048, a correia que leva o minério até a ponta da lança. Quando os
dois valores se igualam, ou seja, quando já foi transportada a quantidade de minério definida
para o estoque, é ativada a variável ALAR_WI3047_PATIO1_CORD1, no caso do
empilhamento estar ocorrendo no primeiro cordão de uma pilha localizada no pátio 1,
conforme a figura 4.21.
FIGURA 4.21 – Sinalização de término de minério a ser empilhado
Essa variável pode ser ativada, também, quando o operador da empilhadeira selecionar o
botão de fim de cordão existente na IHM, para emergências. Como sua ativação é feita através
de um bloco RS, têm-se as variáveis de reset do bloco, que são as variáveis de indicação de
locomoção da empilhadeira, negadas. Isto quer dizer que a variável de sinalização de fim de
estoque no cordão 1 permanece desativada enquanto a empilhadeira está em locomoção,
formando o cordão 1.
71
1.10 Passos para o empilhamento automático de minérios
São duas as situações de empilhamento automático de minérios possíveis: desde o começo da
formação da pilha, ou a partir de um determinado momento que a empilhadeira já começou o
seu processo de estoque. Quando a empilhadeira ainda não começou suas atividades, ela
executa três passos distintos, antes de dar início à formação dos cordões. Se a empilhadeira
está, por algum motivo, operando em manual e deseja-se passar para automático sem esperar
o fim da pilha que está sendo feita, estes três passos não são realizados.
A primeira ação a ser tomara para que ocorra o empilhamento em automático é ligar a
empilhadeira neste estado. Após o ligamento, verifica-se se há necessidade da empilhadeira
executar os três passos descritos anteriormente, e, em caso afirmativo, executa-os. Caso
contrário, parte para a lógica de empilhamento e formação dos cordões em si. Esta será a
ordem apresentada a seguir das lógicas feitas.
1.10.1 Condição para acionar a empilhadeira em automático
Conforme visto anteriormente, a EM3049 só será ligada em automático quando todos os seus
sistemas estiverem permitindo que isso seja possível. Há, na tela da IHM, a parte de
comandos da empilhadeira, como “Liga”, “Desliga” e “Rearme”. A variável relacionada ao
comando “Liga” foi nomeada AUT_CMD_LIGA_EMPILHAMENTO. Assim, para que seja
possível a execução da empilhadeira em automático, é preciso que estejam ativas as variáveis
de estado manual/automático, estado pronto para partir, desativada a variável de estado
defeito da empilhadeira e acionado o comando de "Liga" da IHM. A união destas variáveis
ativa um bloco RS e sua variável de saída, AUT_EM3049_AUXLIGA, sendo a mesma
resetada em três situações diferentes:
a)
Pressionamento do botão “Desliga” na IHM, representado pela variável
AUT_CMD_DESLIGA_EMPILHAMENTO;
b) Caso a variável AUT_EM3049_GERAL_EPASS3 fique ativa por dois
segundos corridos;
c)
A mudança na chave da cabine para a opção "Manual" junto com o pressionar
do botão de desligamento do giro, COM_IDESL_GIRO ou o pressionar do
botão de desligamento de locomoção, LOC_CON_IDESL, presentes no
painel de comando da cabine da empilhadeira, conforme a figura 4.22.
72
FIGURA 4.22 – Condição para ligar a empilhadeira em automático
A variável AUT_EM3049_GERAL_EPASS3 é referente ao último dos três passos iniciais
para empilhamento automático: colocação da empilhadeira em noventa graus; posicionar a
empilhadeira no primeiro cordão; e seguir para o cordão selecionado. A seguir serão
mostrados cada um dos três passos, detalhadamente.
1.10.2 Passo 1: posicionar ponta da lança em noventa graus
Depois que é definida, pelo operador, a posição referente ao início da formação da pilha, a
empilhadeira deve ser deslocada até o local. Portanto, o primeiro passo tomado pela
empilhadeira é o posicionamento da ponta da lança em noventa graus, para evitar que a
mesma encoste em outras máquinas de pátio durante sua movimentação até o ponto de início
da pilha. Este posicionamento é armazenado na variável AUT_EM3049_PASSO e quando
vale 1, tem-se a variável AUT_EM3049_GERAL_PASS1. Para que se tenha esta situação, é
preciso que alguma das quatro variáveis de formação de cordão esteja ativada, assim como a
variável auxiliar referente ao ligamento da empilhadeira em automático e a negação da
variável AUT_EM3049_XCOR, visto na figura 4.23.
A negação da variável AUT_EM3049_XCOR, indica que é preciso o número indicado na
IHM para o cordão início de empilhamento seja igual a zero, o que indica que a empilhadeira
não estava em processo de empilhamento anteriormente.
73
FIGURA 4.23 – Passo um: posicionar a lança em noventa graus
Quando a variável AUT_EM3049_GERAL_EPASS1 é ativada, a variável que contém o valor
do ângulo de repouso dinâmico recebe o valor 90, conforme indicado na figura 4.24. A
mudança de ângulo da lança da empilhadeira é feita através do acionamento de giro da
mesma, e será explicado a seguir.
FIGURA 4.24 – Envio do valor noventa para o ângulo da empilhadeira
1.10.2.1 Acionamento de giro da empilhadeira
Para entender como é feito o acionamento do giro da empilhadeira em automático,
independente do ângulo requerido, é preciso entender o que faz e como são acionadas diversas
variáveis. A primeira variável é a de ativação da lógica automática de formação dos cordões,
baseada na quantidade de cordões que serão feitos, determinada pelo operador, e no pátio
onde será realizada a estocagem. A segunda variável recebe o valor referente à ação que a
empilhadeira deve tomar, e, dependendo deste valor, é acionada uma terceira variável,
responsável pela indicação de que o giro deve ser feito.
Conforme visto no capítulo anterior, o pátio de estoque foi dividido em dois: o pátio 1, de
itabirito, e o pátio 2, de hematita. As pilhas a serem formadas podem possuir quatro
disposições diferentes – três, cinco, sete ou dez cordões – no caso do pátio 2, e duas
disposições diferentes – sete ou dez cordões – no caso do pátio 1. Sendo assim, levando em
74
consideração a seleção feita pelo operador do pátio e da quantidade de cordões a serem feitos,
há seis sequências possíveis de serem formadas, representadas pelas variáveis:
a)
AUT_PILHA_10CORDOES_PATIO1: aciona a lógica automática de
formação de dez cordões no pátio 1;
b) AUT_PILHA_7CORDOES_PATIO1: aciona
a
lógica
automática
de
formação de sete cordões no pátio 1;
c)
AUT_PILHA_10CORDOES_PATIO2: aciona a lógica automática de
formação de dez cordões no pátio 2;
d) AUT_PILHA_7CORDOES_PATIO2: aciona
a
lógica
automática
de
a
lógica
automática
de
a
lógica
automática
de
formação de sete cordões no pátio 2;
e)
AUT_PILHA_5CORDOES_PATIO2: aciona
formação de cinco cordões no pátio 2;
f)
AUT_PILHA_3CORDOES_PATIO2: aciona
formação de três cordões no pátio 2.
A figura 4.25 mostra as variáveis que, juntas, fazem uma das variáveis acima ser selecionada.
A variável AUT_EM3049_GERAL_EPASS3 corresponde ao fim da preparação da
empilhadeira para o empilhamento, ou seja, o stacker está pronto para começar a formação do
cordão, sendo feito, através da mesma, a seleção do cordão a ser feito pelo stacker. As
variáveis AUX_EM3049_PATIO1 e AUX_EM3049_10COR são referentes à seleção feita
pelo operador na IHM, conforme já visto, e a variável AUT_EM_XCOR em negação
representa que não foi determinado o cordão a ser iniciada a sequência de formação da pilha.
FIGURA 4.25 – Acionamento da lógica de formação de dez cordões no pátio 1
Continuando no exemplo da formação de dez cordões no pátio 1, tem-se que a união da
variável AUT_PILHA_10CORDOES_PATIO1 com a variável de indicação de não
locomoção da empilhadeira, e faz com que seja movido o valor um para a variável
SEQ_10CORDOES_PASSO_PILHA1. Esta variável pode receber valores de um até vinte,
porém apenas os números ímpares correspondem à ação de giro da lança, sendo os números
75
pares referentes à locomoção da empilhadeira. O número 1 corresponde ao giro para a
formação do primeiro cordão, o número 3 corresponde ao giro para a formação do segundo
cordão, e assim sucessivamente.
Quando a variável SEQ_10CORDOES_PASSO_PILHA1 possui o valor 1, é acionada a
variável AUT_EM3049_10COR_PATIO1_EPASS1, que faz com que o valor pré-definido do
ângulo referente ao grau do primeiro cordão seja enviado para a variável de parâmetro do
ângulo que a empilhadeira deve assumir, AUT_PAR_ANGULO_GIRO, visto na figura 4.26;
e também faz com que a variável de acionamento de giro seja ativada, conforme a figura 4.27.
FIGURA 4.26 – Envio do ângulo referente ao primeiro cordão para o parâmetro de giro
FIGURA 4.27 – Variável de giro referente à formação de dez cordões no pátio um
A mesma lógica acontece para as outras disposições de cordões. Sendo assim, a variável final
de sinalização de que deve ser feito o giro da lança é acionada quando qualquer uma das
variáveis de acionamento de giro individuais seja acionada também, como mostra a figura
4.28.
FIGURA 4.28 – Ativação da variável de acionamento de giro geral
76
O primeiro passo a ser tomado para o giro da lança é a comparação entre o ângulo atual e o
ângulo destino, gravados em POS_ATUAL_GIRO e AUT_PAR_ANGULO_GIRO
respectivamente. Se os dois ângulos estão iguais, respeitando uma margem de dois graus,
assume-se que a lança está na posição correta. Se o ângulo destino for maior do que o ângulo
atual, é acionada a variável de acionamento do giro em sentido horário. Caso contrário, o
acionamento será feito em sentido anti-horario, conforme a figura 4.29.
FIGURA 4.29 – Comparação entre o ângulo atual de empilhadeira e o ângulo destino
As variáveis POSICIONA_HORARIO_GRAU e POSICIONA_ANTIHORARIO_GRAU são
duas das condições que acionam o motor do giro da lança, existindo outras duas, referentes a
um possível ajuste no valor do ângulo com acréscimo ou decréscimo de um grau, através da
IHM. A variável de acionamento do giro é desativada em três situações: acionamento da
variável de desligamento do motor; o ângulo atual e o ângulo destino são equivalentes; e
quando se muda a chave presente no painel de comando da cabine da empilhadeira de
“Automático” para “Manual”, conforme visto na figura 4.30.
FIGURA 4.30 – Ligamento do motor do giro da lança
O desligamento do motor, representado pela variável AUT_DESLGIRO_AUX, é feito em
quatro situações distintas, como mostra a figura 4.31: o pressionamento do botão “Desliga”
77
referente à empilhadeira, presente na IHM; o ajuste de um grau feito pelo operador através da
IHM foi concluído; a variável de acionamento de giro
FIGURA 4.31 – Desligamento do motor do giro da lança
A figura 4.32 mostra o bloco referente aos comandos e estados do motor de giro da lança da
empilhadeira.
FIGURA 4.32 – Motor de giro da lança
Estes comandos são mandados para o motor, localizado na base da lança da empilhadeira,
mostrados na figura 4.33.
78
FIGURA 4.33 – Encoder absoluto de giro
1.10.3 Passo 2: Translação da EM3049 para a posição inicial
Depois da lança da empilhadeira ser posicionada em noventa graus é possível ser feita a
movimentação da máquina sem riscos de acidentes. O stacker deve ser levado até a posição
inicial da pilha para começar a fazer o cordão um. Faz-se a comparação do ângulo atual e um
literal de valor 90, com uma faixa de dois graus para mais ou para menos. Se os ângulos
forem equivalentes, a empilhadeira estiver no passo um, e a variável GIR_XLD estiver
indicando que a lança não está em movimento, é acionado o bloco MOVE e transfere o valor
2 para a variável AUTO_EM3049_PASSO, o que, por conseguinte, ativa a variável
AUT_EM3049_GERAL_EPASS2, conforme a figura 4.34.
79
FIGURA 4.34 – Translação da EM3049 para a posição inicial
A variável AUT_EM3049_GERAL_PASS2 ativa o bloco de comparação entre a posição da
empilhadeira,
registrada
através
da
posição
da
ponta
da
lança
pela
variável
AUT_EM3049_LOC_PONTALANÇA_MAT, e uma soma entre a variável que indica a
posição de início da pilha e o literal de valor 25. Esta soma é necessária devido à diferença de
aproximadamente vinte e cinco metros entre o ângulo 90 e o ângulo 14, sendo este último o
ângulo referente ao primeiro cordão. Como a empilhadeira se encontra em noventa graus, ela
irá se deslocar até que a ponta da sua lança se encontre na posição de início da pilha. Porém,
ao deslocar do ângulo 90 para o ângulo 14, a ponta da lança ficará na posição errada, ficando
vinte e cinto metros abaixo da posição real, por isso é feita a soma de 25 na variável referente
ao início da pilha, conforme mostrado na figura 4.35.
FIGURA 4.35 – Comparação entre a posição atual e a de início da pilha ajustada
A variável AUX_POS_ATUAL_INICIO_PASS2 é acionada quando a posição da
empilhadeira e a posição de início da pilha são iguais, o que faz com que a empilhadeira pare
de se locomover. As variáveis POSICIONA_TRAS_1 e POSICIONA_FRENTE_1 são
algumas das que acionam a locomoção da empilhadeira, para trás ou para frente,
respectivamente, e serão vistas a seguir detalhadamente durante a explicação de como é feito
o acionamento de locomoção da empilhadeira.
80
1.10.3.1 Acionamento de locomoção da empilhadeira
Conforme visto anteriormente, as variáveis que possuem terminação "EPASS" seguidas de
um número par, correspondem ao acionamento da locomoção da empilhadeira. Tratando-se da
formação de dez cordões no patio 1, a variável referente a locomoção da empilhadeira para o
ponto de início do cordão 1, é a AUT_EM3049_10COR_PATIO1_EPASS2. A união das
variáveis de locomoção da empilhadeira é feita através de um bloco OR, para uma variável
genérica, que indica que será necessária a ativação do sistema de locomoção, independente do
pátio ou da formação de cordões a ser feita. Estas uniões são vistas na figura 4.36 e figura
4.37.
FIGURA 4.36 - Variáveis individuais de acionamento de locomoção
FIGURA 4.37 – União das variáveis de acionamento de locomoção
O acionamento da locomoção da empilhadeira é feito em três momentos distintos: quando a
empilhadeira se encontra em noventa graus e pecisa se deslocar para o começo do primeiro
cordão; enquanto está fazendo qualquer um dos cordões, indo do início da pilha até o final, e
vice-versa; e enquanto a lança da empilhadeira está girando para começar outro cordão,
fazendo assim a correção na posição da empilhadeira de acordo com o novo ângulo.
81
O momento referente ao deslocamento da empilhadeira quando ela está em noventa graus e
precisa se deslocar para o início do primeiro cordão já foi retratado anteriormente, portanto
sabe-se de duas das variáveis auxiliares de locomoção da empilhadeira: locomoção para
frente, POSICIONA_FRENTE_1, e locomoção para trás, POSICIONA_TRAS_1.
O segundo momento refere ao ato de deslocar pelo pátio para fazer os cordões requeridos.
Para que a locomoção da empilhadeira fique sempre entre os valores determinados pelo
operador, na IHM, de inicio e fim de pilha, é feito constantemente o monitoramento da atual
posição da empilhadeira, gravada na variável AUT_EM3049_LOC_PONTALANÇA_MAT,
em relação a posição de início da pilha, AUX_POSICAO_INICIO_PILHA, e final,
AUX_POSICAO_FIM_PILHA, monitoramento este feito separadamente.
Durante a comparação entre o posicionamento atual da empilhadeira e a posição
correspondente ao início da pilha, pode-se ter três resultados diferentes. Caso os valores sejam
iguais, é acionada uma variável de indicação que a empilhadeira está, no momento, no início
da pilha, AUX_POS_ATUAL_INICIO_PASS. Se a posição da empilhadeira for maior do que
a de início da pilha, é acionada a variável POSICIONA_TRAS_EPASS, um comando auxiliar
que aciona a locomoção de ré da empilhadeira. Por fim, caso a empilhadeira esteja em uma
posição inferior ao início da pilha, a variável POSICIONA_FRENTE_EPASS fica ativada e
aciona a locomoção para frente da empilhadeira, visto na figura 4.38.
FIGURA 4.38 – Comparação entre as posição da EM3049 e as de inicio e fim da pilha
Um bloco RS é utilizado para a definição do deslocamento momentâneo da empilhadeira, ou
seja, para saber se ela está indo do início da pilha para o final ou vice-versa. Esta informação
será utilizada na hora de definir se a empilhadeira tem que se deslocar para frente ou para trás.
82
Quando a empilhadeira atinge a posição inicial da pilha, é acionada a variável
AUX_POS_ATUAL_INICIO, que indica que o deslocamento da empilhadeira será em
direção ao fim da pilha. Esta variável será desativada quando a empilhadeira chegar ao final
da pilha, o que fará com que seja acionada a variável AUX_POS_ATUAL_FINAL, indicando
que o deslocamento será feito em direção ao inicio da pilha, conforme a figura 4.39.
FIGURA 4.39 – Definição da direção de deslocamento da empilhadeira
Para acionar alguma das variáveis referentes a este segundo momento, deslocamento da
empilhadeira durante a formação de cordões, é preciso uma combinação de variáveis vistas
anteriormente. Para acionar a variável de locomoção para frente, POSICIONA_FRENTE_2,
por exemplo, é preciso que as três entradas de um bloco AND sejam acionadas, sendo elas: a
presença de material na correia transportadora; a empilhadeira estar se deslocando em direção
ao fim da pilha; e a variável POSICIONA_FRENTE_EPASS, vista anteriormente, sendo
desativada quando a empilhadeira chega ao fim da pilha.
Em concordância, a lógica para ativar a variável de locomoção para trás, POSICIONA_RE_2,
é
feita
através
de
um
bloco
AND
que
possui
três
entradas:
a
variável
AUT_EM3049_PRESS_MAT referente à presença de minério na TC3048; a variável
AUT_POS_ATUAL_FINAL indicando que a empilhadeira está se descolando em direção ao
começo da pilha; e a variável POSICIONA_TRAS_EPASS, sendo desativada quando a
empilhadeira chega ao começo da pilha. A lógica das duas variáveis de locomoção pode ser
vista na figura 4.40.
83
FIGURA 4.40 – Acionamento de variáveis de locomoção
Por fim, tem-se o último momento em que é acionada uma variável de locomoção. É o caso
de quando se chega ao fim de um cordão e a lança da empilhadeira faz o giro em direção ao
próximo cordão. Conforme visto, quando a empilhadeira está em 90 graus e desloca para a
formação do primeiro cordão, que possui o ângulo de 14 graus, é preciso fazer um ajuste de
deslocamento. Assim, enquanto a empilhadeira está fazendo o giro de um cordão para o outro,
ela também está se deslocando para fazer esta compensação.
A mudança do cordão 1 para o 2, do 3 para o 4, do 5 para o 6, e do 8 para o 9 são feitas
aumentando o ângulo corrente da empilhadeira, portanto o deslocamento da mesma deve ser
para trás, a fim de ajustar a posição da ponta da lança. O acionamento da locomoção será feito
enquanto a lança está girando, parando quando a lança atinge seu ângulo destino, ou se o
operador mudar a chave da cabine de "Automático" para "Manual", conforme a figura 4.41.
FIGURA 4.41 – Ajuste da posição da empilhadeira decorrente da mudança de ângulo
A variável POSICIONA_TRAS_2_EPASS é acionada quando é feita alguma das mudanças
de cordão que ocorrem com a diminuição do ângulo, ao contrário do que foi mostrado
84
anteriormente. Também necessita da chave da cabine estar posicionada em "Automático" e
permanecerá ativada enquanto a lança estiver girando, a fim de atingir o ângulo destino.
Têm-se, assim, as variáveis referentes aos três casos possíveis de acionamento da locomoção
da empilhadeira. É feita a união destas variáveis em um único acionamento, unindo as
variáveis referentes à locomoção para frente na variável POSICIONA_FRENTE e as
variáveis referentes à locomoção para trás na variável POSICIONA_RE, como pode ser visto
na figura 4.42.
FIGURA 4.42 – Junção das variáveis de deslocamento
A variável referente ao real acionamento do sistema de locomoção da empilhadeira chama-se
AUT_EM3049_LIGA_LOC. A mesma é acionada quando alguma de suas três condições está
acionada: a lança da empilhadeira está em locomoção em sentido horário, sendo necessário
ser feito o ajuste em sua posição para trás; a lança está em locomoção em sentido anti-horário
e, neste caso, o ajuste tem que ser feito para frente; ou quando alguma das variáveis de
acionamento de giro, POSICIONA_FRENTE e POSICIONA_RE, estão ativadas, junto com a
variável AUT_EM3049_EPASS_LOC.
Conforme visto na figura 4.43, a variável AUT_EM3049_LIGA_LOC será desativada em
quatro ocasiões: quando não houver correção a ser feita na posição da empilhadeira, devido ao
giro da mesma; quando o botão de desligamento da locomoção, presente no painel da
empilhadeira, for pressionado; quando o botão "Desliga" da janela de comandos da IHM for
selecionado; ou quando a variável auxiliar AUT_DESLLOC_AUX referente ao desligamento
do sistema de locomoção for ativado.
85
FIGURA 4.43 – Ligamento do sistema de locomoção da empilhadeira
Como visto na figura 4.44, o desligamento da empilhadeira é feito através da variável
AUT_DESLLOC_AUX, que é acionada em várias situações: quando a empilhadeira chega à
posição inicial ou final da pilha; quando a empilhadeira termina de fazer os ajustes de
deslocamento necessários referentes à mudança de ângulo de um cordão para o outro; quando
falta material na correia por mais do que dez segundos; quando o botão de desligamento da
locomoção presente no painel da cabine da empilhadeira é pressionado; ou quando o botão
"Desliga" da janela de comandos da IHM é selecionado.
FIGURA 4.44 - Desligamento do sistema de locomoção da empilhadeira
As variáveis AUT_DESLLOC_AUX e AUT_EM3049_LICA_LOC são enviadas para o
bloco do motor que faz a locomoção da empilhadeira, visto na figura 4.45.
86
FIGURA 4.45 – Motor de locomoção da empilhadeira
1.10.4 Passo 3: Deslocamento para o cordão selecionado
Conforme visto anteriormente, a empilhadeira passa por dois passos distintos quando é
determinado que comece a formar uma pilha do zero, ou seja, a partir do primeiro cordão,
independente da quantidade de cordões que terá. Para que isso aconteça, a máquina posiciona
sua lança em 90 graus e movimenta até a posição correspondente ao início da pilha. O
próximo passo, o passo 3, é o giro da lança para o cordão a ser formado, neste caso, o cordão
1. Quando a empilhadeira já está em formação de algum cordão e, em seguinte, é requisitada a
sua atuação em automático, ela ignora os dois primeiros passos e começa no passo 3, pois
assume que a sua posição já está correta e só deve mudar de ângulo para continuar a
sequência de cordões.
Então, são duas as situações em que é ativada a variável referente ao passo 3,
AUT_EM3049_GERAL_EPASS3. A primeira é referente ao término do passo 2, portanto a
variável AUT_EM3049_GERAL_EPASS2 é uma das variáveis necessárias para a sua
ativação, sendo a outra a variável que indica que a empilhadeira está na posição inicial da
87
pilha, AUX_POS_ATUAL_INICIO_PASS2. Estas variáveis são entradas de um bloco AND
que ativam um bloco MOVE, que, por fim, ativa a variável do passo 3, como pode ser visto
na figura 4.46.
FIGURA 4.46 – Deslocamento para a formação do primeiro cordão
A segunda situação de ativação da variável, mostrada na figura 4.47, é quando o operador
determina, na IHM, qual o cordão que ele quer que seja o cordão de início da sequência em
automático da empilhadeira. Deste modo, a variável AUT_EM3049_XCOR valerá um e,
assim que a variável de acionamento da empilhadeira, AUT_EM3049_AUXLIGA ficar
ativada, move-se o valor 3 para a variável AUT_EM3049_PASSO, o que ativa a
AUT_EM3049_GERAL_EPASS3 e faz com que a empilhadeira gire sua lança para a
formação do cordão indicado pelo operador, na IHM.
FIGURA 4.47 – Descolamento para a formação do cordão selecionado pelo operador
1.10.5 Formação de uma pilha de dez cordões
A formação de uma pilha através de dez cordões é a mais usual, e a mais completa. Sendo
assim, será utilizada a sequência de formação de uma pilha de dez cordões para a explicação
de como é feita a programação para que a empilhadeira seja capaz de concluir o processo de
estoque automaticamente. Por fim, tem-se o fim da sequência automática de empilhamento,
resetando os comandos e as variáveis de ativação das etapas da sequência.
88
1.10.5.1 Posicionamento da lança para formação do primeiro cordão
O posicionamento da lança para a formação do primeiro cordão ocorre com o acionamento da
variável AUT_EM3049_10COR_PATIO1_EPASS1. Este acionamento é feito quando é
secionada a variável responsável pela lógica automática de formação de dez cordões no pátio
1, AUT_PILHA_10CORDOES_PATIO1. A variável de acionamento faz com que seja
enviado o valor do ângulo de formação do cordão um, conforme visto anteriormente. A lógica
de posicionamento da lança para a formação do primeiro cordão é visto na figura 4.48, e
somente é acionada quando a empilhadeira está parada.
FIGURA 4.48 – Posicionamento da lança para formação do primeiro cordão
1.10.5.2 Locomoção da empilhadeira para formação dos cordões
Após o posicionamento da lança, é feita a locomoção da empilhadeira para a formação do
cordão, seguindo o princípio de acionamento do sistema de locomoção mostrado
anteriormente. A lógica responsável pelo acionamento deste sistema é igual para a formação
de todos os cordões de uma pilha. Tendo como exemplo a formação do primeiro cordão, se
faz
necessária
a
ativação
da
variável
responsável
por
este
acionamento,
AUT_EM3049_10COR_PATIO1_EPASS2. Para que isto ocorra, é necessário o acionamento
da variável AUT_EM3049_10COR_PATIO1_EPASS1 para garantir que se trata do primeiro
cordão, e a indicação de que da lança não está girando no momento, representada pela
variável GIR_XLD negada, indicada na figura 4.49.
89
FIGURA 4.49 - Locomoção da empilhadeira para formação dos cordões
1.10.5.3 Posicionamento da lança para formação dos demais cordões
A lógica para o giro da lança para a formação do segundo cordão é igual à lógica dos cordões
seguintes. Por exemplo, para a formação do segundo cordão, a variável de acionamento do
giro da lança, AUT_EM3049_10COR_PATIO1_EPASS3, somente é acionada quando quatro
situações estão ocorrendo em conjunto: a empilhadeira esta localizada ou na posição referente
ao início da pilha ou no final da mesma; o sistema de locomoção da empilhadeira está parado;
a variável referente ao passo anterior está ativa, garantindo a sequencia determinada para
formação dos cordões; e a variável referente ao fim da quantidade de minério a ser estocada
deve estar ativa. São estas quatro situações que garantem a troca no ângulo da empilhadeira
para fazer o cordão seguinte, situações estas mostradas na figura 4.50.
FIGURA 4.50 – Acionamento do giro para formação do segundo cordão
1.10.5.4 Fim da sequência automática
Ao término da formação do décimo cordão é acionada o fim da sequencia automática. A
variável que representa este término é a AUT_EM3049_10COR_PATIO1_EPASS21, e para
que a mesma seja acionada são necessárias três situações, unidas através de um bloco AND: a
quantidade definida para empilhamento no cordão 10 deve ter sido completamente estocada; a
empilhadeira deve estar posicionada ao início ou fim da pilha; e o passo referente à
90
locomoção da empilhadeira pelo cordão 10 deve estar acionada, garantindo que este tenha
sido o último cordão formado. A lógica referente a este acionamento é mostrada na figura
4.51.
FIGURA 4.51 – Fim da sequência automática
Com o acionamento da variável de fim da sequencia de formação da pilha, um bloco MOVE é
ativado e transfere o valor 0 para a variável SEQ_10CORDOES_PASSO_PATIO1, resetando
a mesma e, consequentemente, desativando as lógicas anteriores de formação de cordão. Ao
pressionar o botão “Desligar” na janela de comandos da IHM, é feita esta transferência de
valor através do mesmo bloco MOVE também, assim como a mudança de estado na chave
presente na cabine da empilhadeira do estado “Automático” para o estado “Manual”,
conforme a figura 4.52.
FIGURA 4.52 – Reset da lógica de formação da pilha
91
1.11 Paradas não programadas da empilhadeira
Para garantir a maior produtividade da empilhadeira, faz-se paradas programadas da mesma,
para manutenção periódica. Porém, existem situações que a parada da empilhadeira se faz
necessária em momentos distintos das paradas programadas, que são quando os sensores e
atuadores da empilhadeira falham, sendo assim impossível continuar a execução dos passos
de empilhamento mostrados anteriormente. Portanto, faz-se necessário o monitoramento
destes sensores e atuadores para que seja advertido ao operador quando um deles apresenta
um mal funcionamento, parando a empilhadeira para que possa ser feita a sua correção, ou até
mesmo a troca.
1.11.1 Defeito no sensor de giro da lança
Para que a empilhadeira seja capaz de realizar o giro da lança, com o objetivo de fazer
cordões diferentes, há um motor na mesma que é acionado quando se faz necessária a
mudança de ângulo. Porém, podem ocorrer falhas no motor e o mesmo não ser acionado. Se
isto acontecer, a empilhadeira continuará a despejar o minério no cordão que já está pronto, o
que gera uma má formação dos cordões, ocorrendo um desperdício de material. Para que isto
não ocorra, o acionamento deve ser monitorado e, havendo falha na sua atuação, parar a
empilhadeira e permitindo sua volta após pressionar o botão "Rearme" presente na IHM.
Para saber se o acionamento de giro da lança está funcionando, grava-se o ângulo da
empilhadeira no momento que é acionado o giro em uma variável não alocada, de nome
ÂNGULO_MEMORIA. Esta gravação é feita através do bloco MOVE, que faz com que o
valor gravado na variável alocada GIR_ZI_ENCCORRIGIDO_GRA seja transferido para
ÂNGULO_MEMORIA. Esta gravação ocorre no momento que é acionado o giro da lança,
através do bloco R_TRIG que faz com que a sua saída seja acionada no momento que a
entrada muda de estado, indo para um, já que se trata de uma variável booleana, conforme
mostrado na figura 4.53. A finalidade desta gravação é para que possa ser feita uma
comparação entre tal ângulo e o ângulo corrente da máquina.
92
FIGURA 4.53 – Defeito no sensor de giro da lança: gravação do ângulo atual
Faz-se, então, uma comparação entre o ângulo corrente da máquina e o ângulo gravado em
ÂNGULO_MEMORIA. Se o ângulo gravado e o ângulo corrente são iguais, significa que,
apesar do giro ter sido acionado ele não está atuando corretamente, portando sinaliza um
alarme de defeito no giro, através da variável não alocada GIRO_DEFEITO. Caso os ângulos
sejam diferentes, para mais ou para menos, significa que o giro está funcionando, e é ativada a
variável não alocada GIRO_SEM_DEFEITO, como mostra a figura 4.54. Se houver algum
defeito, a empilhadeira não conseguirá fazer o giro, a mesma será parada e terá que ser
rearmada.
FIGURA 4.54 – Defeito no sensor de giro da lança: comparação entre os ângulos
As duas variáveis de saída descritas anteriormente não são acionadas apenas através da
comparação entre os ângulos. É preciso estar, também, acionadas as variáveis referentes ao
funcionamento do giro da lança e ao estado automático da empilhadeira, representadas
respectivamente pelas variáveis alocadas GIR_EFUNC e AUT_EM3049_XMA. Esta
condição de acionamento de uma saída somente quando mais de uma entrada estiver acionada
é garantida através do bloco AND, sendo, no referido caso, um bloco booleano.
1.11.2 Falha de operação do sensor de locomoção da empilhadeira
A locomoção da empilhadeira é sensoriada por dois encoders. De acordo com Antonello
(2004), encoders são transdutores de movimento capazes de converter movimentos lineares,
93
ou angulares, em pulsos elétricos, podendo ser transformados posteriormente em informações
binárias para que sejam utilizadas em programas para monitoramento de dados como
distância percorrida e velocidade.
Os encoders possuem, internamente, um ou mais discos perfurado que permitem, ou não, a
passagem de um feixe de luz infravermelha, a qual é gerada por um emissor que se encontra
em um dos lados do disco e é captada por um receptor que está localizado do outro lado do
disco. O lado que recebe o feixe é composto de um circuito eletrônico, que gera um pulso que
faz com que sejam registrados os números de pulsos gerados durante um determinado
intervalo de tempo. A figura 4.55 mostra o princípio de funcionamento de um encoder do tipo
utilizado na empilhadeira.
FIGURA 4.55 – Princípio de funcionamento de um encoder rotativo
Fonte: ANTONELLO, 2004
94
Quando a empilhadeira está se locomovendo pelo pátio, os feixes de luz dos encoders são
cortados e, dependendo da quantidade de vezes que ocorreram estas passagens, sabe-se a
distância percorrida pelo stacker. Sabe-se que os cortes dos sensores de cada encoder
acontecem em questão de milisegundos, portanto, a verificação de uma falha de operação dos
sensores é feita da seguinte forma:
a)
Quando não ocorre o corte do feixe, a variável alocada de nome
TRA_ZS_ENC_X_1, sendo que X pode assumir a representação do primeiro
encoder (A), ou do segundo (B), apresenta valor um. Por conseguinte,
apresenta valor 0 quando ocorre o corte;
b) Se a variável ficar ativa ou inativa durante três segundos seguidos, quer dizer
que ou a máquina está parada, ou o encoder não está funcionando. Esta
verificação é feita através do bloco de temporização, TON;
c)
Como somente a alternativa referente ao não funcionamento do encoder é
interessante para esta programação em questão, utiliza-se a variável de estado
de funcionamento do sistema de locomoção da empilhadeira LOC_EFUNC
em conjunto com a variável do encoder, através de um bloco AND;
d) Caso as duas variáveis de entrada do bloco AND estejam acionadas, a
variável de saída não alocada AUT_DESLIGA_EM3049_TC3048 é ativada e
desliga o stacker e a correia transportadora que leva o minério para a
empilhadeira.
A programação que representa estes passos de verificação é mostrada na figura 4.56. Há,
também, uma lógica para detecção de falha na operação do sensor de locomoção quando a
empilhadeira está em manual. A diferença é que, na lógica em manual, a saída do bloco AND
é a variável AUT_HABILITA_AUTO em negação, ou seja, impede a habilitação do modo
automático da empilhadeira.
95
FIGURA 4.56 – Falha de operação do sensor de locomoção
96
CONCLUSÃO
Neste trabalho faz-se um estudo dos métodos de estocagem e empilhamento de minérios em
pátios de céu aberto, visando a automatização da empilhadeira, máquina responsável por estes
processos. Com a obtenção desta automatização, tem-se um ambiente de produção mais
seguro e mais produtivo, uma vez que ela proporciona a continuidade operacional do
equipamento, sem diminuição na produção ou perda na qualidade do produto, características
presentes quando comparada com a operação de equipamentos em manual.
O ambiente estudado foi o pátio de estoque da Mina de Conceição, localizada em Itabira e
pertencente à Vale. A empilhadeira presente neste pátio corta-o no meio, formando assim um
pátio de estoque de itabirito, um tipo de minério de ferro de baixo teor, e um pátio de
hematita, minério de ferro de alto teor. O minério é empilhado utilizando o método Windrow,
caracterizado pela formação de pilhas de minério através de camadas, denominadas cordões.
Cada cordão possui um ângulo especifico de empilhamento e geralmente uma pilha é
composta de dez cordões.
Para efetuar o controle das ações da empilhadeira, utiliza-se um Controlador Lógico
Programável, um equipamento que possui em sua memória a programação necessária para
que a empilhadeira opere automaticamente. Desta forma, ações como a quantidade de
material a ser estocado por pilha, a formação dos cordões, obedecendo ao tamanho da pilha
requerida pelo operador da máquina, e a ordem de formação dos mesmos são garantidas sem a
necessidade de um operador para executá-las.
O operador da empilhadeira se faz necessário apenas para a inclusão de parâmetros referente
ao processo de empilhamento, como a posição inicial e final da pilha, o pátio onde será feito o
estoque e a quantidade de cordões por pilha. Estas informações são selecionadas em uma
IHM, Interface Homem Máquina, presente na cabine da empilhadeira, que as envia para o
PLC para que possam ser utilizadas durante a programação.
Por fim, este trabalho mostra as vantagens e praticidade de automatizar uma máquina de pátio
de uma mineradora, e como é feita a programação do PLC para que este objetivo seja
atingido.
97
Como propostas futuras, pode-se sugerir:
i.
Acrescentar à lógica da empilhadeira uma lógica anti-colisão, para impedir
possíveis encontros entre a empilhadeira e as retomadoras, outro tipo de
máquina presente no pátio de estoque;
ii.
Transferir a interface entre homem e máquina para o sistema supervisório,
para que o operador não precise ficar dentro da empilhadeira para monitorar o
estoque, mudando o seu local de trabalho para a Sala de Controle, um
ambiente mais propício para o trabalho diário do operador;
iii.
Elaborar uma lógica que corte a alimentação da correia transportadora da
empilhadeira quando a formação da pilha chega ao fim e o operador não
seleciona a formação de uma nova.
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